Les X-FEL convertissent l’énergie cinétique d’un faisceau d’électrons en puissantes impulsions de photons, jusqu’aux longueurs d’onde des rayons X durs, et sont souvent appelés « moteurs de découverte ». Les X-FEL sont utilisés pour créer des conditions de matière extrêmes pour la recherche sur la matière chaude et dense, pour étudier les propriétés des matériaux pour les micropuces de nouvelle génération, pour résoudre la structure de biomolécules complexes pour de nouveaux médicaments et de nombreuses autres applications.

Au cœur des FEL se trouvent des faisceaux d’électrons se balançant sur un chemin à l’intérieur d’un dispositif, appelé onduleur, avec un champ magnétique alternatif. Sous l’effet du mouvement oscillant, le faisceau d’électrons émet des bouffées de photons et un effet de rétroaction positive structure le faisceau d’électrons en micro-paquets à la longueur d’onde du rayonnement. Par conséquent, la puissance de rayonnement croît de manière exponentielle le long de l’onduleur et devient hautement cohérente.

Cet effet d’auto-organisation ne peut se produire que si le faisceau d’électrons est de haute qualité aux énergies relativistes. Cependant, pour répondre aux exigences strictes de qualité du faisceau d’électrons, les X-FEL à la pointe de la technologie sont des machines finement réglées à l’échelle du kilomètre, coûtant jusqu’à un milliard de livres. Par conséquent, seule une poignée d’installations X-FEL existent dans le monde, sans aucune au Royaume-Uni jusqu’à présent.

La recherche de Strathclyde montre, avec des simulations haute fidélité de bout en bout, qu’un accélérateur plasma de Wakefield (PWFA), équipé d’une méthode avancée d’injection d’électrons appelée « cheval de Troie » appelée photocathode plasma, peut produire des faisceaux d’électrons 100 000 fois plus brillants que l’état- de l’art. Cela est dû à la faible distribution de propagation de l’impulsion, produisant des faisceaux d’électrons extrêmement froids.

Le PWFA dispose également d’un champ électrique accélérateur, d’une capacité de quelques dizaines à centaines de gigavolts par mètre, qui permet la réalisation de l’accélérateur à l’échelle centimétrique, par rapport aux échelles kilométriques des accélérateurs traditionnels.

L’étude explore comment extraire, transporter, isoler et injecter les faisceaux d’électrons ultra-lumineux et glacés de la photocathode plasma PWFA dans un onduleur sans perte de charge ni de qualité ; ils restent froids et ne « fondent » pas. Focalisé dans un onduleur, le faisceau d’électrons de très haute qualité produit de puissantes impulsions photoniques cohérentes de type laser, avec des durées d’impulsion dans le régime de l’attoseconde (1 × 10−18 de seconde). En plus de l’extrême qualité des impulsions d’électrons et de photons qui en résultent, l’ensemble du système peut avoir une empreinte spatiale de seulement quelques dizaines de mètres, contrairement aux machines X-FEL de pointe de taille kilométrique.

Les scientifiques travaillant sur l’étude pensent que les trois étapes franchies dans l’étude pourraient être une passerelle vers les X-FEL ultra-compacts de nouvelle génération. L’étude a été publiée dans la revue Communication Nature et fait partie du projet national britannique X-FEL.

Fahim Habib, associé de recherche au département de physique de Strathclyde et chercheur postdoctoral principal de l’étude, a déclaré : « Les perspectives des plasma-X-FEL ultra-compacts basés sur ce schéma sont époustouflantes. Nos résultats sont des premiers jalons importants. , mais beaucoup plus de travail nous attend pour la réalisation expérimentale de l’approche. »

Le professeur Bernhard Hidding de Strathclyde, qui dirige le projet, a déclaré : « La première preuve expérimentale de l’injection de photocathode plasma dans le PWFA a été obtenue dans le cadre de notre collaboration avec le cheval de Troie dans l’installation SLAC FACET de notre partenaire stratégique de Stanford. Maintenant, avec notre programme dans l’installation qui succède au SLAC FACET-II, nous visons à exploiter le véritable potentiel du système en termes de qualité et de stabilité du faisceau. »

Le Dr Brian McNeil, lecteur au Département de physique, a déclaré : « La luminosité est le paramètre de performance clé pour le laser à électrons libres. Si des faisceaux d’électrons aussi brillants et courts que ceux montrés dans notre étude informatique peuvent être réalisés à partir de plasmas, cela pourrait avoir un impact énorme sur la science des photons. »

Le professeur Hidding travaille sur un projet parallèle, financé par le Conseil européen de la recherche, nommé NeXource : Next-generation Plasma-based Electron Beam Sources for High-brightness Photon Science.