Intensité record mondial pour des impulsions de rayons X courtes et riches en énergie Des éclairs de rayons X qui pourraient battre un record

Des chercheurs de l'European XFEL ont focalisé des impulsions de rayons X de l'ordre de l'attoseconde à un point tel qu'elles ont atteint une intensité qui pourrait battre tous les records. Cette méthode pourrait ouvrir la voie à une étude plus approfondie des électrons dans les atomes et les molécules.

Des chercheurs ont généré, à l'European XFEL, des impulsions de rayons X qui étaient non seulement extrêmement courtes, mais qui atteignaient également une intensité susceptible de battre tous les records pour ce type d'impulsions. Les chercheurs ont focalisé la lumière des rayons X sur une surface environ 100 000 fois plus petite que la section transversale d’un cheveu humain typique. La lumière des rayons X a ainsi été concentrée en un point minuscule, mais extrêmement intense. Cette méthode pourrait permettre des études détaillées sur le comportement des électrons dans les atomes et les molécules et, à long terme, même permettre de contrôler les électrons au cours de réactions chimiques.

« Il s’agit d’un record mondial en termes d’intensité et de densité de flux pour une impulsion d’attoseconde dans le domaine des rayons X durs », explique Ichiro Inoue, de l’Université de Tokyo, premier auteur de l’article consacré à ces nouvelles impulsions laser. La « lumière des rayons X durs » utilisée ici est une lumière dont la longueur d’onde est particulièrement courte. La densité de flux indique la quantité d’énergie que cette lumière délivre sur une surface donnée. L’intensité tient également compte de la quantité d’énergie reçue par unité de temps. Les chercheurs estiment la durée des impulsions utilisées dans l’expérience à 300 attosecondes. Les impulsions ont traversé un système composé de deux miroirs extrêmement précis, connu sous le nom d’optique « Advanced Kirkpatrick-Baez », ou AKB. Chaque flash de rayons X y a été réfléchi quatre fois au total : un miroir focalisait l’impulsion verticalement, l’autre horizontalement. Cela a permis d’obtenir un point focal de seulement 180 × 330 nanomètres.

« Il y a quelques années, nous avons généré à l’European XFEL des impulsions de rayons X puissantes de l’ordre de l’attoseconde, d’une puissance de l’ordre du térawatt », explique Jiawei Yan, chercheur au DESY et l’un des auteurs de l’étude. « Mais la production d’impulsions puissantes n’est qu’une première étape. Pour les expériences, ce qui importe avant tout, c’est ce qui atteint l’échantillon. Grâce à cette avancée, nous pouvons désormais utiliser des impulsions de rayons X de l’ordre de l’attoseconde pour étudier les interactions fortement non linéaires entre les rayons X et la matière. »

Des éclairs d'une intensité extraordinaire

Les chercheurs ont vérifié que les éclairs atteignaient une intensité de pointe supérieure à 10²⁰ watts par centimètre carré. Pour ce faire, ils ont dirigé les impulsions vers une feuille de cuivre. Les impulsions de rayons X ont arraché aux atomes de cuivre des électrons provenant de couches internes profondes, laissant ainsi des « lacunes ». Lorsque d’autres électrons comblent ces lacunes, ils émettent à leur tour des rayons X. À des intensités très élevées, cette lumière peut inciter d’autres atomes de cuivre excités à émettre davantage de rayons X dans la même direction, ce qui amplifie le signal. Ce processus est appelé « émission spontanée amplifiée » (amplified spontaneous emission, ASE).

« C'est presque magique à observer », déclare Anders Madsen, chef de groupe à la station d'expérimentation MID, où l'étude a été menée. « La fluorescence normale se propage dans toutes les directions, quelle que soit la direction de l'impulsion incidente. Cependant, dès que le seuil d'ASE est dépassé, on constate que le cône lumineux commence à se concentrer dans la direction d'avance. »

Les chercheurs ont observé que le signal ASE augmentait d'abord rapidement à mesure que l'énergie de l'impulsion augmentait, mais qu'il finissait par s'aplatir, voire atteindre un seuil de saturation, à des énergies plus élevées. Ce comportement n’est attendu qu’à des intensités de rayons X extrêmement élevées et a donc fourni une confirmation indépendante de l’intensité estimée à partir de l’énergie de l’impulsion, de sa durée et de la taille du foyer.