Un accélérateur laser-plasma pour créer une source de positrons compacte

Tiberio Ceccotti et Sandrine Dobosz Dufrenoy (LIDYL)

La recherche de schémas d’accélération de particules, alternatifs aux schémas conventionnels est un domaine en plein essor. En particulier, les dispositifs exploitant des lasers ouvrent la perspective de produire des sources particulièrement compactes, de taille micrométrique, de courte durée (inférieure à la dizaine de femtosecondes) et de charge non négligeable (supérieure au picoCoulomb – pC). Les expériences réalisées par le groupe PHI, sur le système laser UHI100 en collaboration avec l’équipe de G. Sarri (Queen’s University, Belfast), ont permis de créer une source de positrons via le mécanisme suivant : un paquet d’électrons relativistes délivrés par un accélérateur laser-plasma interagit avec une cible de numéro atomique Z élevé (du plomb dans notre cas), qui agit comme convertisseur. Dans ce dernier, il se produit alors un processus de cascades gouvernées par l’électrodynamique quantique, qui conduit à la génération de paires électrons – positrons (mécanisme de Bethe-Heitler).

(a) Image brute du faisceau d’électrons secondaires après la traversée d’un masque de tungstène (technique « Pepper pot ») et d’un spectromètre : l’insert montre le profil à 50 MeV (en bleu), et après soustraction du bruit de fond (en rouge). (b) Variation de la taille des sources d’électrons secondaires et positrons en fonction de leur énergie. (c) Variation de l’émittance géométrique des sources d’électrons secondaires et positrons en fonction de leur énergie.

Nous avons optimisé l’accélérateur laser-plasma (E_max d’environ 200 MeV, une dizaine de pC, large bande spectrale) et caractérisé de manière indirecte la source de positrons produites dans la cible de plomb en analysant les propriétés des électrons secondaires (figure a) car on les sait liées à celles des positrons. Les données expérimentales ont été comparées aux simulations, et ont permis de qualifier les propriétés intéressantes de la source, avec une taille de 230 +/- 100 µm (figure b), et une émittance à 100 MeV d’environ 3,5 mm^.mrad (figure c). Ces résultats encourageants indiquent que des faisceaux de positrons dans la gamme du GeV avec une densité de charge élevée sont accessibles avec les lasers de classe PW disponibles aujourd’hui.

Contacts : Tiberio Ceccotti et Sandrine Dobosz Dufrenoy (LIDYL).

Élaboration des premières OLEDs émettrices de lumière circulairement polarisée

Jean-Pierre Dognon (NIMBE)

Les diodes électroluminescentes organiques ou Organic Light-Emitting-Diode (OLED) font l’objet de nombreuses recherches dans divers secteurs, de l’éclairage à l’affiche. Dans la plupart des cas, le dispositif intègre des revêtements antireflets, avec pour inconvénient de diminuer la qualité et l’émission de la lumière produite. Dans cette étude, nous avons réussi à développer des OLEDs alliant efficacité énergétique et émission de lumière circulairement polarisée (CPL) permettant de s’affranchir des filtres antireflets. Ces OLEDs, utilisant des composés organiques à fluorescence retardée par activation thermique (CP-TADF), reposent sur un concept de perturbation chirale et sur la conversion thermique d’états triplets en états singulets qui émettent ensuite de la lumière. Ces matériaux ont été conçus à partir d’une démarche conjointe théorie-expérience, en plusieurs étapes, de la molécule aux premières CP-OLEDs, dans le cadre du projet ANR iChiraLight. L’émission se produit à partir d’un état à transfert de charge intramoléculaire. La faible différence d’énergie (ΔE_ST) entre le premier état excité singulet (S1) et le premier état triplet (T1) entraîne un croisement inter-système inverse, avec une efficacité quantique qui peut, en principe, atteindre les 100%.

Comparaison des spectres de dichroïsme circulaire expérimental et théorique et représentation schématique des moments dipolaires de transition électrique (en bleu) et magnétique (en magenta) ainsi que des orbitales associées à la transition S0 → S1. S0 désigne l’état fondamental et S1 le premier état excité singulet.

Les émetteurs développés sont constitués d’unités donneur et accepteur d’électrons, séparées par un espaceur permettant d’obtenir un ΔE_ST inférieur à 0.1-0.2 eV, nécessaire pour un processus de conversion efface. Le travail de modélisation réalisé au NIMBE a pour objectif de concevoir de nouveaux assemblages moléculaires donnant accès à de faibles valeurs de ΔE_ST. Une approche de chimie quantique basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité a été mise en œuvre et montre son efficacité pour calculer ΔE_ST, comprendre les phénomènes permettant de le contrôler et calculer les propriétés optiques associées. La principale difficulté pour s’approcher de valeurs quantitatives réside dans l’évaluation de l’état triplet, d’autant plus que les états singulets et triplets peuvent être fortement couplés par l'interaction spin-orbite. De nouvelles méthodes théoriques plus précises seront mises en œuvre dans la suite de ce travail qui n’en est qu’à ses débuts. Ce travail est réalisé dans le cadre d’une collaboration impliquant des équipes du NIMBE, du LETI, du SCBM (Institut Joliot), de l’ENS Paris-Saclay, de l’Université de Rennes et de l’Université de San Jose (CA, USA).

Contact : Jean-Pierre Dognon (NIMBE)