Ouvrir le futur avec les lasers à rayons gamma

Pourrait-il y avoir d’autres univers, identiques ou différents du nôtre ? Eh bien, nous ne le savons pas encore.  

Alors que le concept du multivers de Stephen Hawking, une théorie hypothétique englobant tous les univers avec leurs propres espace, temps, matière, énergie et lois physiques, reste non prouvé, n’existant que dans le domaine du cinéma et de la physique théorique.

Ce que nous devons prouver, c’est l’existence d’un dispositif quantique. C’est simplement un système qui utilise les effets mécaniques quantiques pour fonctionner, s’appuyant sur le contrôle et la manipulation des interactions quantiques afin d’obtenir des fonctionnalités impossibles dans les systèmes classiques.

En physique, un quantum, le singulier de quanta, est la quantité minimale de toute entité physique. Par exemple, le quantum de lumière est un photon.

Maintenant, pour percer les mystères de l’univers, nous aurons besoin d’un dispositif quantique particulier : un laser à rayons gamma.

Cet appareil hypothétique serait capable de produire des rayons gamma cohérents, tout comme un laser ordinaire produit des rayons de lumière visible cohérents. Un rayon gamma (symbole γ) est une forme pénétrante de rayonnement électromagnétique qui provient d’interactions à haute énergie comme la désintégration radioactive des noyaux atomiques. Il apparaît également lors d’événements astronomiques tels que les éruptions solaires. 

Les rayons gamma sont constitués des ondes électromagnétiques à la longueur d’onde la plus courte, plus courtes que celles des rayons X. Ils possèdent des fréquences supérieures à 30 exahertz et des longueurs d’onde inférieures à 10 picomètres. Les photons gamma ont également l’énergie photonique la plus élevée de toutes les formes de rayonnement électromagnétique.

Il y a quelques années, des scientifiques ont détecté les rayons gamma les plus énergétiques jamais observés, 20 téraélectronvolts, soit environ dix mille milliards de fois l’énergie de la lumière visible, provenant d’une étoile morte appelée pulsar. 

Fin de l’année dernière, entre‑temps, des astrophysiciens ont capturé des images d’éclairs de rayons gamma provenant du trou noir supermassif M87.

Source de l’image: University of California

Plus tôt cette année, une détection multi-capteurs d’une intense rafale de rayons gamma a été observée lors de la collision de deux leaders d’éclair¹. C’était la première fois qu’un éclair gamma terrestre (TGF) était observé en synchronisation avec la décharge de l’éclair.

Observés dans divers phénomènes cosmiques, les rayons gamma sont également étudiés activement et créés à travers des expériences spécifiques.

Expériences de lasers à rayons gamma et études de faisabilité

Les rayons gamma sont une forme de rayonnement électromagnétique à haute énergie, très pénétrants et offrent plusieurs avantages dans divers domaines. 

Ses applications potentielles comprennent l’imagerie médicale, la propulsion spatiale, le traitement du cancer et les voyages interstellaires. Étant donné ses vastes possibilités, des scientifiques du monde entier étudient la création d’un laser à rayons gamma, ou graser, pour produire des rayons gamma cohérents. 

Des scientifiques de l’Université de Rochester ont reçu un financement fédéral pour cela, dans le cadre duquel ils étudient la faisabilité des sources de lumière cohérente.

Dans les années 1980, Gérard Mourou et Donna Strickland à l’Université de Rochester ont inventé l’amplification de pulsations étirées (CPA), une technique qui augmente la puissance de pointe des lasers et qui a valu le prix Nobel de physique en 2018. Cependant, développer des lasers capables de produire des rayons gamma n’a pas encore été réalisé. Pour relever ce défi, ils étudient les propriétés de cohérence du rayonnement émis lorsque des paquets d’électrons denses entrent en collision avec un champ laser puissant, ce qui les aidera à comprendre comment produire des rayons gamma cohérents.

“La capacité de produire des rayons gamma cohérents serait une révolution scientifique, créant de nouvelles sources de lumière, similaire à la façon dont la découverte et le développement des sources de lumière visible et des rayons X ont changé notre compréhension fondamentale du monde atomique.”

– Le chercheur principal, Antonino Di Piazza & professeur de physique à l’université

Pour étudier comment les électrons interagissent avec les lasers pour émettre de la lumière à haute énergie, les chercheurs commenceront par examiner comment un ou deux électrons émettent de la lumière avant d’étudier des situations plus complexes avec de nombreux électrons afin de produire des rayons gamma cohérents. 

«Nous ne sommes pas les premiers scientifiques à avoir tenté de créer des rayons gamma de cette manière, a déclaré Di Piazza à l’époque. » Mais nous le faisons en utilisant une théorie entièrement quantique — l’électrodynamique quantique — qui constitue une approche avancée pour résoudre ce problème.»

Une autre approche pour développer des lasers à rayons gamma comprend l’excitation d’isomères nucléaires. 

Un article de recherche² publié il y a quelques mois a décrit la méthode consistant à exciter les noyaux de certains isotopes vers un état nucléaire d’énergie supérieure. En utilisant le bombardement de neutrons, les noyaux isomériques sont excités en états métastables avant de déclencher l’émission stimulée de rayons gamma afin d’obtenir la cohérence à partir du noyau.

Leur méthode nouvelle et « un peu non conventionnelle » vise à résoudre le « dilemme du Graser » en déplaçant le réseau cristallin pendant le bombardement de neutrons. 

«La technologie a le potentiel de créer des lasers extrêmement puissants qui peuvent être utilisés dans diverses applications, y compris les armes laser,» a noté Yordan Katsarov du Département d’Équipement et de Technologies Aéronautiques, qui fait partie de l’Académie de l’Armée de l’Air Bulgare Georgi Benkovski.

À présent, des scientifiques de l’Université du Colorado Denver ont créé une puce qui pourrait un jour débloquer les lasers à rayons gamma.

Ce dispositif quantique révolutionnaire, assez petit pour tenir dans la main, peut générer des champs électromagnétiques extrêmes auparavant possibles uniquement dans d’immenses collisionneurs de particules. La puce de la taille d’un pouce pourrait remplacer les collisionneurs de particules de plusieurs kilomètres dans un avenir proche et nous aider à percer les mystères profonds de l’univers, tester les théories du multivers et créer de puissants lasers à rayons gamma capables de détruire les cellules cancéreuses au niveau atomique et de permettre d’autres traitements médicaux révolutionnaires.

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Une petite puce rend les rêves de lasers gamma accessibles

Publié dans Advanced Quantum Technologies, une revue couvrant la recherche théorique et expérimentale en science quantique, matériaux et technologies, la dernière étude³ a été mise en avant sur la couverture du numéro de juin.

Comme le souligne l’étude, le confinement nanométrique de l’énergie électromagnétique est possible grâce aux plasmons.

Un plasmon est un quantum d’oscillation de plasma, qui correspond à une oscillation rapide de la densité d’électrons dans les plasmas ou les métaux. Ces quasiparticules sont formées par des oscillations collectives du gaz d’électrons de la bande de conduction.

Et « les plasmons extrêmes libèrent des possibilités inégalées, y compris l’accès à des champs de plusieurs péta‑volts par mètre (PV/m) », qui sont des intensités de champ électrique extrêmement élevées, ce que l’étude a noté, « ouvrent de nouvelles possibilités étendues, notamment en physique des particules et en sciences des photons grâce au confinement nanométrique d’une énergie électromagnétique à grande échelle ».

Ainsi, les chercheurs ont développé un modèle analytique de cette classe de plasmons basé sur un cadre cinétique quantique.

Cette dernière percée a été réalisée à l’Université du Colorado Denver dans le but de révolutionner notre compréhension de la physique et de la chimie.

« C’est très excitant car cette technologie ouvrira de tout nouveaux domaines d’étude et aura un impact direct sur le monde. »

– Aakash Sahai, professeur assistant en génie électrique à CU Denver

Sahai, avec Kalyan Tirumalasetty, un étudiant de son laboratoire qui travaille avec lui sur la technologie, se rapproche de fournir à la communauté scientifique un nouvel outil pour transformer la science-fiction en réalité.

«Dans le passé, nous avons eu des percées technologiques qui nous ont propulsés en avant, comme la structure subatomique menant aux lasers, aux puces informatiques et aux LED. Cette innovation, qui est également basée sur la science des matériaux, suit la même voie,» a ajouté Sahai, qui possède un doctorat en physique des plasmas de l’Université Duke et une maîtrise en génie électrique de l’Université Stanford.

Ce qui a été réalisé dans cette étude est une façon de créer des champs électromagnétiques extrêmes en laboratoire qui étaient auparavant impossibles.

Ces champs électromagnétiques alimentent tout, des puces informatiques aux super collisionneurs de particules, qui accélèrent et font entrer en collision des particules subatomiques à des énergies extrêmement élevées afin d’obtenir des informations sur la nature de la matière, de l’énergie et de l’univers primordial.

C’est lorsque les électrons d’un matériau vibrent et rebondissent à des vitesses extrêmement élevées que ces champs électromagnétiques sont créés.

Cependant, créer des champs suffisamment puissants pour réaliser des expériences avancées nécessite des installations énormes et coûteuses.

Par exemple, les scientifiques qui étudient la matière noire utilisent des machines comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire), le plus grand laboratoire de physique des particules au monde, situé en Suisse. Le LHC est l’accélérateur de particules le plus puissant au monde, comprenant un anneau de 27 kilomètres (16,7 miles) de aimants supraconducteurs avec plusieurs structures d’accélération pour augmenter l’énergie des particules en cours de route.

Réaliser des expériences à une telle échelle nécessite d’énormes ressources. Non seulement c’est très coûteux, mais cela peut aussi être très volatile.

Pour surmonter ce problème, le laboratoire de Sahai a construit un matériau à base de silicium (Si), semblable à une puce, de la taille de votre pouce.

Le silicium est un semi‑conducteur dont les propriétés (conductivité électrique) peuvent être modifiées en ajoutant des impuretés (dopage) et il est utilisé pour fabriquer les micro‑puces présentes dans les appareils quotidiens comme les téléphones portables, ainsi que les voitures autonomes.

Le nouveau matériau semblable à une puce peut supporter des faisceaux de particules à haute énergie et contrôler le flux d’énergie. Il permet également aux scientifiques et aux chercheurs d’accéder aux champs électromagnétiques qui sont produits par les vibrations ou oscillations du gaz d’électrons quantiques. Et tout cela est réalisé dans un espace minuscule.

Le mouvement rapide (oscillations) crée les champs électromagnétiques, tandis que la technique de Sahai permet au matériau de gérer le flux de chaleur généré par la vibration et aide à maintenir l’échantillon stable et intact.

« Manipuler un tel flux d’énergie élevée tout en préservant la structure sous‑jacente du matériau est la percée. Cette avancée technologique peut réellement changer le monde. Il s’agit de comprendre comment la nature fonctionne et d’utiliser ce savoir pour avoir un impact positif sur le monde. »

– Tirumalasetty

Leur technologie peut potentiellement réduire les longs collisionneurs à la taille d’une puce et permettre aux scientifiques d’observer l’activité comme jamais auparavant.

L’université a déjà déposé et obtenu des brevets provisoires sur la technologie, tant aux États‑Unis qu’internationalement.

Les applications pratiques et concrètes de la technologie, cependant, mettront des années à se concrétiser. 

En fait, une partie du travail fondateur de la technologie a commencé il y a sept ans, en 2018, lorsque Sahai a publié ses recherches sur les accélérateurs d’antimatière. Il a déclaré :

« Cela prendra du temps, mais dans ma vie, c’est très probable. »

Cela dit, elle a un grand potentiel pour nous aider à mieux comprendre le fonctionnement de l’univers à son échelle fondamentale et ainsi améliorer les vies. Comme l’a noté Sahai, cela pourrait également rendre les lasers à rayons gamma une réalité.

« Nous pourrions obtenir une imagerie des tissus jusqu’au noyau des cellules, voire jusqu’au noyau des atomes sous‑jacents. Cela signifie que les scientifiques et les médecins pourraient voir ce qui se passe au niveau nucléaire, ce qui pourrait accélérer notre compréhension des forces immenses qui dominent à ces petites échelles tout en menant à de meilleurs traitements médicaux et à des guérisons, » a-t-il expliqué. « Finalement, nous pourrions développer des lasers à rayons gamma pour modifier le noyau et éliminer les cellules cancéreuses au niveau nanométrique. »

La technique des « plasmons extrêmes », qui porte également le titre de l’étude, peut également nous aider à tester la possibilité d’un multivers.

Le travail sur la petite puce n’est pas terminé, cependant. Sahi et Tirumalasetty se concentreront désormais sur le raffinement du matériau à base de puce en silicium et de la technique laser au SLAC National Accelerator Laboratory, une installation de classe mondiale gérée par l’Université Stanford et financée par le Département de l’Énergie des États‑Unis (DOE), où la technologie a été testée.

Simuler le vide quantique avec des lasers ultra‑puissants

Ainsi, comme nous l’avons vu, du cosmos au laboratoire, notre compréhension de la lumière la plus extrême de l’univers évolue rapidement.

Nous avons capturé des sursauts de rayons gamma provenant de pulsars lointains, observé des éclairs de trous noirs supermassifs en pleine gloire énergétique, et même enregistré les collisions semblables à la foudre qui produisent des éclairs gamma terrestres. Maintenant, nous apprenons à recréer des conditions similaires ici sur Terre.

Il y a quelques mois, des physiciens de l’Université d’Oxford ont simulé comment des faisceaux laser intenses peuvent générer de la lumière là où il n’y en avait pas, transformant un concept théorique en réalité.

Ce que les physiciens ont réussi à faire, c’est qu’ils ont pu créer, pour la toute première fois, des simulations 3D montrant comment des faisceaux laser intenses peuvent affecter et modifier le vide quantique.

Publié dans Communications Physics, l’étude⁴ détaille l’utilisation de modélisations computationnelles avancées pour simuler comment des lasers puissants interagissent avec le vide quantique, révélant au passage comment les photons rebondissent les uns sur les autres et produisent de nouveaux faisceaux de lumière.

Les simulations ont recréé le mélange à quatre ondes du vide (FWM), un phénomène prédit par la physique quantique qui stipule que le champ électromagnétique combiné de trois impulsions laser focalisées peut polariser les paires virtuelles électron‑positron du vide, produisant un nouveau faisceau laser dans ce que l’on appelle le processus « lumière issue de l’obscurité ».

« Ce n’est pas seulement une curiosité académique – c’est une avancée majeure vers la confirmation expérimentale d’effets quantiques qui, jusqu’à présent, étaient principalement théoriques. »

– Co‑auteur de l’étude, Peter Norreys, professeur à l’Université d’Oxford

Les simulations ont été exécutées à l’aide d’une version avancée d’un logiciel de simulation (OSIRIS), qui modélise l’interaction des faisceaux laser avec le plasma ou la matière.

« Notre programme informatique nous offre une fenêtre 3D, résolue dans le temps, sur les interactions du vide quantique qui étaient auparavant inaccessibles. En appliquant notre modèle à une expérience de diffusion à trois faisceaux, nous avons pu capturer l’ensemble des signatures quantiques, ainsi que des informations détaillées sur la région d’interaction et les échelles de temps clés. »

– Zixin (Lily) Zhang, auteur principal de l’étude et doctorante au Département de physique d’Oxford

Ces modèles sont utilisés par les chercheurs pour concevoir des expériences réelles, comme la forme des lasers et le timing des impulsions. De plus, les simulations peuvent offrir de nouvelles perspectives sur la façon dont de petites asymétries dans la géométrie du faisceau peuvent modifier le résultat et comment les interactions évoluent en temps réel.

En plus d’aider à planifier de futures expériences laser à haute énergie, l’équipe estime que cet outil peut également aider à rechercher des signes de particules subatomiques hypothétiques comme les axions, un candidat majeur pour la matière noire.

« Une large gamme d’expériences prévues dans les installations laser les plus avancées sera grandement facilitée par notre nouvelle méthode computationnelle implémentée dans OSIRIS, a déclaré le co‑auteur de l’étude, Luis Silva, professeur à l’Institut Supérieur Technique, Université de Lisbonne. « La combinaison de lasers ultra‑intenses, de détections de pointe, de modélisation analytique et numérique de pointe constitue les bases d’une nouvelle ère d’interactions laser‑matière, qui ouvrira de nouveaux horizons pour la physique fondamentale. »

Investir dans la technologie laser

Étant donné qu’un laser à rayons gamma n’a pas encore été réalisé, nous examinerons le potentiel d’investissement d’une entreprise active dans la technologie laser en général.

L3Harris Technologies (LHX ) est un acteur majeur des photonique avancée et des systèmes laser à haute énergie pour la défense et l’aérospatiale. L’entreprise produit une variété de systèmes laser, reconnus pour leur taille compacte et leurs hautes performances. 

Avec une capitalisation boursière de 50,7 milliards de dollars, les actions LHX se négocient actuellement à 272,31 $, en hausse de 29 % depuis le début de l’année. Plus tôt ce mois‑ci, les actions de la société ont atteint un nouveau sommet à 280,52 $, en hausse de plus de 45 % depuis le creux d’avril. À cela s’ajoute un BPA (TTM) de 8,96 et un PER (TTM) de 30,27.

Les actionnaires de LHX peuvent bénéficier d’un rendement du dividende de 1,77 %.

En ce qui concerne les finances de l’entreprise, L3Harris Technologies a déclaré un chiffre d’affaires de 5,4 milliards de dollars et des commandes de 8,3 milliards de dollars pour le deuxième trimestre 2025. La marge opérationnelle de la société était de 10,5 % et la marge opérationnelle ajustée du segment était de 15,9 %. Le BPA dilué était de 2,44 $, tandis qu’une hausse de 16 % du BPA dilué non‑GAAP l’a porté à 2,78 $.

« Nous avons livré des résultats impressionnants au deuxième trimestre, soutenus par un record de book‑to‑bill de 1,5 x, une croissance organique solide et une expansion de la marge opérationnelle du segment ajustée d’une année sur l’autre pour le septième trimestre consécutif, » a déclaré le PDG Christopher E. Kubasik. « Cela marque un point d’inflexion clair, avec notre croissance du chiffre d’affaires la plus forte depuis six trimestres et des progrès significatifs vers notre cadre financier 2026. »

Kubasik a également souligné que la défense « entre dans un cycle d’investissement générationnel, alors que les budgets des États‑Unis et de leurs alliés augmentent rapidement », et face à cette demande « accélérée », le portefeuille de l’entreprise est aligné sur les principaux secteurs de croissance afin d’atteindre « une croissance rentable soutenue et la création de valeur à long terme ». 

Dernières actualités et développements des actions L3Harris Technologies (LHX)

Conclusion

Les scientifiques et les ingénieurs repoussent constamment les limites de la lumière et de la matière. De telles avancées permettent désormais aux lasers à rayons gamma de passer d’une simple théorie à une technologie transformatrice. Maîtriser cette forme extrême de lumière peut non seulement redéfinir la physique, mais aussi remodeler la médecine, l’énergie et notre compréhension même de l’univers !

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Références :

1. Wada, Y., Morimoto, T., Wu, T., Wang, D., Kikuchi, H., Nakamura, Y., Yoshikawa, E., Ushio, T., & Tsuchiya, H. Flash gamma terrestre descendant associé à la collision de leaders d’éclair. Science Advances, 11(21), eads6906, publié le 21 mai 2025. https://doi.org/10.1126/sciadv.ads6906
2. Katsarov, Y. Une nouvelle approche pour développer un laser à rayons gamma. Environment. Technology. Resources. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference, 4, 467–474, publié en 2025. https://doi.org/10.17770/etr2025vol4.8388
3. Sahai, A. A. Plasmons extrêmes. Advanced Quantum Technologies, publié le 19 mai 2025. https://doi.org/10.1002/qute.202500037
4. Zhang, Z., Aboushelbaya, R., Ouatu, I., et al. Modélisation computationnelle du vide quantique semi‑classique en 3D. Communications Physics, 8, 224, publié le 5 juin 2025. https://doi.org/10.1038/s42005-025-02128-8