Le laser à rayons X le plus puissant au monde s’apprête à franchir un nouveau cap

L’innovation technologique dans le domaine des lasers à rayons X repousse les frontières de la recherche scientifique. Le Département de l’Énergie américain vient d’approuver un projet majeur qui élargira considérablement les possibilités d’exploration à l’échelle atomique.

Le Département de l’Énergie (DOE) des États-Unis a donné son feu vert pour le lancement d’un projet d’amélioration à haute énergie qui va amplifier les performances du Linac Coherent Light Source (LCLS). L’équipement, situé au laboratoire national d’accélération SLAC, est actuellement reconnu comme le laser à électrons libres à rayons X (XFEL) le plus puissant au monde.

L’amélioration permettra aux scientifiques d’explorer les processus à l’échelle atomique avec une précision inégalée. Les domaines bénéficiant de l’avancée incluent le stockage d’énergie, la catalyse, la biologie, la science des matériaux et la physique quantique.

« L’amélioration à haute énergie du LCLS renforce la position du laboratoire en tant que leader mondial dans la science des rayons X et ultrarapide. Avec le soutien essentiel du Bureau de la Science du Département de l’Énergie et de nos laboratoires partenaires, l’amélioration, une fois terminée, favorisera la découverte scientifique et l’innovation. Les meilleurs talents seront attirés et la recherche de pointe dans de multiples disciplines sera stimulée. » a déclaré John Sarrao, directeur du laboratoire SLAC.

Un projet ambitieux pour repousser les limites de la science

En 2023, le SLAC a célébré l’achèvement du projet LCLS-II, propulsant la science des rayons X vers de nouveaux sommets. Un accélérateur supraconducteur a été ajouté, ainsi que deux nouvelles structures magnétiques appelées onduleurs pour générer des rayons X mous et durs à partir du faisceau d’électrons. D’autres avancées technologiques majeures ont permis à l’installation de produire jusqu’à un million d’impulsions de rayons X par seconde – soit 8 000 fois plus que son prédécesseur.

Le nouveau projet d’amélioration, baptisé LCLS-II-HE, vise à doubler l’énergie du faisceau d’électrons sortant de l’accélérateur supraconducteur. L’énergie maximale des rayons X sera plus que doublée et une augmentation de performance de 3 000 fois en termes de luminosité moyenne des rayons X « durs » ou à haute énergie sera obtenue.

Mike Dunne, directeur du LCLS, a expliqué : « L’amélioration LCLS-II-HE représentera une avancée transformatrice pour la mission scientifique des Sciences de l’Énergie de Base du DOE et pour la communauté scientifique au sens large. Si l’amélioration LCLS-II a permis d’obtenir une caméra de haute qualité capable de capturer des images claires et détaillées, l’amélioration LCLS-II-HE augmente considérablement la résolution et la sensibilité de cette caméra. Les scientifiques pourront imager le mouvement à l’échelle atomique des matériaux, des systèmes chimiques et des complexes biologiques pour répondre à certains des défis les plus critiques auxquels notre société est confrontée.« 

Une collaboration inter-laboratoires pour une puissance accrue

Le SLAC s’est associé à plusieurs laboratoires nationaux pour mener à bien le projet d’amélioration LCLS-II-HE. La construction et les tests d’un ensemble de 23 nouveaux cryomodules sont réalisés par le Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) et le Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab). Chaque module contient huit cavités radiofréquences supraconductrices intégrant les dernières technologies pour des performances améliorées.

La fabrication et la livraison des cryomodules progressent rapidement. Environ 95% des cavités ont été produites et 10 cryomodules ont été livrés au SLAC. Les tests indiquent que les nouveaux modules devraient atteindre un niveau de performance au moins une fois et demie supérieur à celui des cryomodules produits pour l’amélioration LCLS-II, démontrant la rapidité des progrès dans ce domaine.

Greg Hays, directeur du projet LCLS-II-HE, a souligné : « Le travail d’équipe et la collaboration sont les moteurs des avancées révolutionnaires dans la technologie XFEL, permettant une exploration sans précédent des structures atomiques et moléculaires à des échelles de temps ultrarapides. Cet effort collectif exploite l’expertise de centaines de scientifiques, d’ingénieurs et de techniciens à travers le pays, s’appuyant sur des partenariats de longue date avec des experts du monde entier. »

De nouvelles perspectives scientifiques grâce à la haute énergie

L’amélioration LCLS-II-HE permettra d’approfondir la compréhension des dynamiques au niveau atomique qui sous-tendent le fonctionnement d’une grande partie du monde complexe qui nous entoure. Les domaines concernés vont de l’énergie propre à la durabilité, en passant par la fabrication avancée et la santé humaine.

Grâce aux rayons X durs et à la sensibilité accrue rendus possibles par l’amélioration, les scientifiques examineront en profondeur les systèmes solides et liquides pour étudier les surfaces cachées, les molécules dissoutes et les nanomatériaux. L’étude approfondie de ces éléments est essentielle pour développer de nouvelles idées en matière d’énergie renouvelable et de catalyseurs, afin de concevoir des systèmes efficaces pour une fabrication durable, le stockage d’énergie et la conversion de l’énergie solaire en carburants et en électricité sans émission de carbone.

Dans le domaine des sciences biomédicales, l’amélioration permettra de cartographier l’ensemble des mouvements des échantillons biologiques pendant leur fonctionnement, et ce dans des environnements physiologiquement pertinents pour la première fois. Les avancées orienteront la conception de nouveaux médicaments ciblés plus efficaces pour le traitement des maladies.

Des outils de haute résolution seront fournis pour capturer le comportement de nouveaux types de matériaux et de systèmes quantiques. Les progrès stimuleront la conception d’une nouvelle génération d’ordinateurs et de systèmes de communication ultrarapides, visant à réduire significativement la consommation d’énergie dans les centres de données et à améliorer l’efficacité énergétique des appareils électroniques.

L’achèvement de l’amélioration à haute énergie est prévu pour 2030, avec la possibilité de commencer les expériences dès 2027. Le LCLS amélioré générera des quantités sans précédent de données de haute qualité – plus d’un pétaoctet par jour, l’équivalent d’un million de téléchargements de films – qui seront utilisées pour entraîner des modèles d’apprentissage automatique et d’IA plus précis, accélérant ainsi les découvertes scientifiques dans de nombreux domaines.

Légende illustration : Le SLAC a reçu le deuxième cryomodule LCLS-II-HE du Jefferson Lab le 5 mars 2024. À la manière du Jefferson Lab, il a été décoré et livré pour célébrer la fête la plus proche, cette fois-ci la Saint-Patrick. Credit: Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory

Source : SLAC