Le laser à rayons X suisse (SwissFEL) révèle la danse cachée des électrons

Miriam Arrell – Institut Paul Scherrer

Des scientifiques du laser à électrons libres à rayons X SwissFEL ont réalisé un objectif expérimental longtemps poursuivi en physique : montrer comment les électrons dansent ensemble. La technique, appelée mélange à quatre ondes de rayons X, ouvre une nouvelle voie pour observer comment l’énergie et l’information circulent au sein des atomes et des molécules. À l’avenir, elle pourrait éclairer la façon dont l’information quantique est stockée et perdue, aidant ainsi à concevoir des dispositifs quantiques plus tolérants aux erreurs. Les résultats sont publiés dans Nature.

Une grande partie du comportement de la matière ne provient pas d’électrons agissant seuls, mais de la façon dont ils s’influencent mutuellement. Des systèmes chimiques aux matériaux avancés, leurs interactions façonnent la manière dont les molécules se réarrangent, dont les matériaux conduisent ou isolent et dont l’énergie circule.

Dans de nombreuses technologies quantiques – notamment l’informatique quantique – l’information est stockée dans des motifs délicats de ces interactions, appelés cohérences. Lorsque ces cohérences sont perdues, l’information disparaît – un processus appelé décohérence. Apprendre à comprendre et finalement à contrôler ces états fugaces est l’un des principaux défis auxquels sont confrontées les technologies quantiques aujourd’hui.

Jusqu’à présent, bien que de nombreuses techniques nous permettent d’étudier le comportement d’électrons individuels, nous étions pour la plupart aveugles à ces cohérences. Des scientifiques de SwissFEL, issus de l’Institut Paul Scherrer PSI et de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), en collaboration avec l’Institut Max Planck de physique nucléaire en Allemagne et l’Université de Berne, ont maintenant développé un moyen d’y accéder en utilisant une technique appelée mélange à quatre ondes de rayons X.

« Nous apprenons comment les électrons dansent ensemble – s’ils se tiennent par la main ou s’ils dansent seuls », explique Gregor Knopp, scientifique senior au Centre des sciences photoniques de l’Institut Paul Scherrer PSI, qui a dirigé l’étude. « Cela nous offre une nouvelle perspective sur les phénomènes quantiques et peut changer notre compréhension de la matière. »

Comme la RMN, mais avec des rayons X

Conceptuellement, le mélange à quatre ondes de rayons X est similaire à la résonance magnétique nucléaire (RMN), utilisée quotidiennement dans les hôpitaux pour les examens IRM. Les deux techniques utilisent des impulsions multiples pour créer et lire les cohérences dans la matière.  

Le processus de mélange à quatre ondes est également bien établi avec la lumière infrarouge et visible, où il permet aux scientifiques d’étudier comment les molécules se déplacent, vibrent et interagissent – avec des applications allant des communications optiques à l’imagerie d’échantillons biologiques.

Les rayons X apportent cette même approche puissante à une échelle plus petite et nous permettent de pénétrer dans le monde des électrons. « Alors que d’autres approches nous renseignent sur la façon dont les atomes ou les molécules dans leur ensemble interagissent entre eux ou avec leur environnement, avec les rayons X, nous pouvons zoomer directement sur les électrons », souligne Ana Sofia Morillo Candas, première auteure de l’article.

Cette capacité à zoomer sur les interactions entre électrons a le potentiel de fournir des perspectives complètement nouvelles, non seulement sur l’information quantique, mais aussi sur de nombreux autres domaines – par exemple, les molécules biologiques ou les matériaux pour les cellules solaires et les batteries.

L’expérience impossible

Cependant, concrétiser ce type d’expérience aux rayons X est resté presque impossible jusqu’à présent – même des décennies après avoir été imaginé pour la première fois.

Dans le mélange à quatre ondes, trois ondes lumineuses incidentes interagissent avec la matière pour produire une quatrième onde. « En général, pour réaliser un mélange à quatre ondes, vous devez diviser, retarder et recombiner différents faisceaux lumineux », explique Morillo Candas. « C’est difficile avec les rayons X parce que la longueur d’onde est si courte – vous devez être incroyablement précis. » Pour faire simple, le défi de manipuler trois faisceaux de rayons X équivaut à essayer de lancer trois fléchettes à un kilomètre de distance et de les faire atterrir sur la cible à quelques nanomètres les unes des autres.

Cette précision seule ne suffit pas : le signal de mélange à quatre ondes de rayons X généré est également extrêmement faible. Pour le voir, l’expérience nécessite des impulsions de rayons X extrêmement brillantes et ultra-courtes – quelque chose que seules les grandes installations de lasers à électrons libres à rayons X comme SwissFEL peuvent offrir. « Les scientifiques rêvaient de cette expérience depuis la construction de SwissFEL il y a dix ans », affirme Knopp.

Une lumière dans la nuit

Le succès a reposé sur une astuce empruntée aux expériences avec la lumière laser ordinaire plutôt qu’aux rayons X : une plaque d’aluminium avec quatre minuscules trous. Les faisceaux de rayons X traversent trois trous et – si l’expérience réussit – un nouveau signal de rayons X apparaît au quatrième.

« C’est conceptuellement une solution simple », déclare Knopp, qui a une expérience du travail avec la lumière laser optique. « Si vous faites ces expériences avec de la lumière infrarouge ou visible, c’est comme cela que vous procéderiez. » Cette approche est très différente des tentatives précédentes de mélange à quatre ondes de rayons X, mais pour Knopp, c’était la méthode évidente à essayer. « Nous avons été stupéfaits lorsque nous avons vu l’ampleur du signal », ajoute-t-il.

C’était au milieu de la nuit, lorsque Morillo Candas, alors postdoctorante au PSI, a vu le signal dans la salle de contrôle de la station expérimentale Maloja à SwissFEL. Elle se souvient : « Il brillait comme une lumière sur l’écran. Pour tout autre, cela n’aurait rien été. Mais nous avons sauté de joie. »

D’un premier signal à une technologie d’imagerie grand public

Cette première démonstration réussie du mélange à quatre ondes de rayons X a été réalisée dans un gaz noble, le néon : un système relativement bien compris sans interactions électroniques compliquées – le banc d’essai idéal pour détecter le signal insaisissable du mélange à quatre ondes.

Maintenant que la preuve de principe a été faite, les scientifiques pourront passer à des systèmes plus complexes. Morillo Candas et Knopp estiment tous deux que la simplicité de leur solution la rend exceptionnellement robuste et accélérera son adoption.

Les prochaines étapes à SwissFEL consisteront à étudier des gaz plus complexes et, finalement, des liquides et des solides, où les électrons au sein des molécules interagissent de manière plus riche.

Mais ce n’est probablement qu’un début pour la technique. À terme, elle pourrait être utilisée comme méthode d’imagerie révélant où les cohérences résident et où elles se brisent à l’intérieur d’un matériau ou d’un dispositif – en d’autres termes, où l’information quantique est stockée et où elle est perdue. Cela pourrait donner aux concepteurs des indices sur la façon de construire des qubits plus stables et de réduire les erreurs dans les futurs ordinateurs quantiques – des perspectives tout simplement indisponibles aujourd’hui.

« Si dans les années 1960 vous aviez demandé « pouvez-vous faire une RMN de mon genou », la réponse aurait été « quoi ? » Mais le début était le même – un premier signal », raconte Knopp. « C’est là où nous en sommes maintenant. Je pense que si nous avançons rapidement dans le temps, un jour, le mélange à quatre ondes de rayons X pourrait être une technique grand public pour imager de minuscules dispositifs quantiques. »

Article : Coherent nonlinear X-ray four-photon interaction with core-shell electrons – Journal : Nature – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : PSI