⚡ Onde de plasma

Les ondes de Langmuir sont longitudinales : la perturbation de densité électronique et le champ électrique oscillent le long de la direction de propagation, sans composante magnétique. Les ondes électromagnétiques dans un plasma sont transverses (E et B perpendiculaires à k) et ne peuvent se propager qu'au-dessus de la fréquence plasma. Leur dispersion est ω² = ωp² + c²k². Les deux types sont importants dans les expériences laser-plasma.

Lorsque la vitesse de phase d'une onde correspond à la vitesse thermique d'un électron, cet électron surfe sur l'onde : il gagne et perd alternativement de l'énergie en chevauchant la crête de l'onde. En moyenne, il y a légèrement plus d'électrons lents que rapides dans une distribution maxwellienne, donc plus d'électrons gagnent de l'énergie qu'ils n'en perdent — le résultat net est l'amortissement de l'onde. C'est le mécanisme derrière l'amortissement de Landau.

Les électrons du vent solaire accélérés par les éruptions solaires produisent des faisceaux d'électrons qui excitent des ondes de Langmuir près de la fréquence plasma locale (typiquement 10–100 kHz à 1 UA). Ces ondes peuvent ensuite se convertir en rayonnement électromagnétique, produisant les sursauts radio solaires de type III observés par les radiotélescopes et des sondes spatiales comme Parker Solar Probe.

La densité électronique n est le nombre d'électrons libres par mètre cube. Dans l'ionosphère, n ≈ 10¹² m⁻³ ; dans les plasmas de tokamak, n ≈ 10²⁰ m⁻³ ; dans les plasmas produits par laser, n peut atteindre 10²³ m⁻³ (proche de la densité solide). Les sondes de Langmuir mesurent la densité en collectant le courant électronique ; l'interférométrie utilise l'indice de réfraction du plasma n₀ = √(1 − ωp²/ω²).

La longueur de Debye λD = √(ε₀kBTe/ne²) est l'échelle sur laquelle les déséquilibres de charge sont écrantés dans un plasma. Les ondes de Langmuir dont la longueur d'onde est bien plus courte que λD sont fortement amorties par effet Landau car les électrons thermiques peuvent facilement traverser une longueur d'onde. Seules les ondes avec kλD << 1 se propagent sans amortissement sévère.

Les accélérateurs à sillage plasma (PWFA) utilisent une impulsion laser intense ou un paquet de particules pour piloter une onde de Langmuir de grande amplitude dans un plasma. Les particules suiveuses surfent sur cette onde et peuvent être accélérées par des gradients de 10 à 100 GV/m, des milliers de fois plus forts que les cavités RF conventionnelles. L'installation FACET-II du SLAC et EuPRAXIA en Europe développent cette technologie pour des accélérateurs compacts et à haute énergie.

Lorsqu'un laser de forte puissance ou une onde pompe pilote un plasma, elle peut se décomposer en deux ondes filles : une onde de Langmuir et une onde acoustique ionique de plus basse fréquence (diffusion Raman ou Brillouin stimulée). Cette instabilité de décroissance paramétrique limite l'apport d'énergie laser aux cibles de fusion dans la fusion par confinement inertiel (FCI), et constitue un défi majeur pour des installations comme le National Ignition Facility.