Une étude, dont les résultats intitulés «Stable coherent terahertz synchrotron radiation from controlled relativistic electron bunches» ont été publiés dans la revue Nature Physics et sont disponibles en pdf, a permis grâce à des techniques inspirées des méthodes du contrôle du chaos, de stabiliser le rayonnement térahertz cohérent particulièrement intense émis dans les synchrotrons par des paquets d'électrons très nombreux.

Relevons tout d'abord que «les synchrotrons produisent des rayonnements sur une très large gamme spectrale: du térahertz jusqu’aux rayons X durs», qui «sont émis par des paquets d’électrons relativistes, dont la vitesse est très proche de celle de la lumière».

Concrètement, «les électrons d’un paquet sont en constante interaction, entre eux et avec leur rayonnement et leur environnement, et, à partir d’un certain nombre, l’augmentation de ces interactions pousse systématiquement les électrons à se regrouper en petits ensembles au sein du paquet, formant des microstructures instables (phénomène dit de microbunching)» de sorte qu'à «la longueur d’onde de ces microstructures, leur rayonnement devient alors cohérent: les ondes émises par les différents électrons dans les différents micro-paquets sont en phase les unes par rapport aux autres».

Le rayonnement térahertz obtenu dans cet état «est typiquement 10 000 à 100 000 fois plus intense que le rayonnement térahertz classique, incohérent», car «la puissance d’un rayonnement incohérent est proportionnelle au nombre d’électrons dans le paquet tandis que, pour un rayonnement cohérent, elle est proportionnelle au carré de ce nombre».

Néanmoins, ce rayonnement cohérent est «émis habituellement sous forme de bouffées erratiques, ce qui le rend trop irrégulier pour profiter de sa puissance exceptionnelle». Dans ce contexte, un rayonnement térahertz cohérent a pu être stabilisé en faisant appel à une boucle de rétroaction.

Plus précisément, dans un synchrotron, les paquets d’électrons tournent dans un anneau et «émettent un rayonnement qui leur fait perdre de l’énergie». Des cavités radiofréquences la leur restituent alors sous forme électromagnétique.

En jouant sur ce signal, «réinjecté et recalculé à chaque tour d’anneau», les paquets d’électrons sont maintenus «dans des états où ils émettent un rayonnement térahertz cohérent». Au bout du compte, «le rayonnement gagne enfin la régularité qui lui faisait défaut grâce à une opération qui consomme très peu d’énergie».

Comme «cette solution fonctionne pour l’instant sur une plage de courants, c’est-à-dire un nombre d’électrons dans le paquet, réduite», il est envisagé de «l’étendre afin, à terme, de pouvoir pleinement utiliser ce rayonnement cohérent, par exemple pour de mesures de spectroscopie haute résolution».