Des scientifiques ont généré les plus courtes impulsions de rayons X à haute énergie à ce jour en utilisant un puissant laser pour stimuler les électrons de l’enveloppe interne – les électrons les plus proches du noyau atomique. Ces impulsions extrêmement courtes, d’une durée de 60 à 100 attosecondes (quintillionièmes de seconde), pourraient être utilisées pour étudier des phénomènes à l’échelle quantique qui se produisent si rapidement qu’ils sont censés être inobservables.
« Lorsque nous utilisons un laser avec une impulsion femtoseconde (1 000 fois plus longue que l’attoseconde) pour étudier les atomes, nous pouvons observer les électrons comme un nuage qui les entoure. C’est le niveau de détail le plus élevé que l’on ait pu atteindre jusqu’à présent », a déclaré Uwe Bergmann, professeur à l’université du Wisconsin-Madison et chercheur affilié au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). Bergmann est l’auteur principal d’un nouvel article sur le processus, qui vient d’être publié dans Nature. « Mais à l’échelle de l’attoseconde, nous pourrions commencer à nous demander comment le nuage se déplace exactement », a t-il ajouté.
Les théories fondamentales de la mécanique quantique stipulent qu’il est impossible de déterminer avec précision l’emplacement d’un électron à un moment donné. Le système laser de l’équipe pourrait permettre aux scientifiques d’étudier le fonctionnement interne des interactions atomiques comme jamais auparavant.
« Les impulsions laser femtosecondes nous permettent d’étudier la rupture et la formation des liaisons atomiques », explique l’auteur, Vittal Yachandra, scientifique principal à la division Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) du Berkeley Lab. « Maintenant, nous allons à l’intérieur pour examiner non seulement la formation ou la rupture d’une liaison, mais aussi ce qu’est réellement une liaison ».
Le principe de la caractérisation attoseconde est similaire à celui de la photographie traditionnelle : le « flash » doit être suffisamment rapide pour capturer un sujet qui se déplace rapidement. Mais lorsque le sujet est non seulement très rapide, mais aussi très petit, la longueur d’onde de la lumière doit être faible. Bergmann et une équipe internationale de collègues ont utilisé les deux lasers à rayons X les plus puissants au monde – la Linac Coherent Light Source du SLAC National Accelerator Laboratory et le SPring-8 Ångstrӧm Compact free electron Laser (SACLA) au Japon – pour exciter les électrons de la coquille interne des atomes de cuivre et de manganèse. Ces lasers génèrent des impulsions femtosecondes de photons dans la gamme des rayons X durs, l’extrémité à haute énergie du spectre lumineux des rayons X où les longueurs d’onde ne sont que de quelques milliardièmes de mètre – de la même taille que les atomes individuels. La lumière stimule les électrons du métal, qui sont étroitement retenus, afin qu’ils émettent également un faisceau de rayons X durs.
Il s’agit là du processus fondamental d’un laser, qui est en fait un acronyme descriptif pour Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement). Les scientifiques ont construit de nombreux systèmes laser puissants capables de produire des impulsions lumineuses extrêmement courtes ou de la lumière à très haute énergie, ce qui leur permet d’étudier de nombreuses propriétés des molécules et des matériaux. Mais la construction d’un système laser capable de produire ces deux types de lumière en même temps est un véritable défi.
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En fait, l’équipe a été surprise de découvrir qu’elle avait inventé un nouveau moyen d’y parvenir. Bergmann et ses collègues du Berkeley Lab, Vittal Yachandra, Jan Kern et Junko Yano, de la division MBIB, collaborent depuis de nombreuses années à des études sur l’activité à l’échelle atomique d’enzymes importantes contenant des métaux, telles que celles qui commandent la photosynthèse et la respiration. Ils utilisaient les lasers à rayons X du SLAC et du SACLA pour étudier les propriétés des molécules contenant du manganèse par le biais d’un laser à coquille interne lorsqu’ils ont détecté pour la première fois un signal laser inattendu provenant des métaux. À leur grande surprise, ils ont découvert que la combinaison de lasers extrêmement puissants pointés sur les échantillons métalliques (équivalents, au bref moment du contact, à toute la lumière du soleil frappant la Terre concentrée sur un millimètre carré) et le fait qu’ils étaient focalisés sur les électrons de la couche interne (les électrons qui nécessitent le plus d’énergie pour être excités) est une recette idéale pour des effets laser très puissants qui peuvent également conduire à un effet laser attoseconde.
Il a fallu plusieurs années à l’équipe pour identifier ce qui se passait, puis pour vérifier rigoureusement ses résultats, ce qui a abouti à cet article.
« Nous l’avons découvert en essayant autre chose – c’est un phénomène auquel nous ne nous attendions pas, même les scientifiques travaillant sur le phénomène de lasing attoseconde ne l’avaient pas observé », a précisé l’auteur Jan Kern, qui est un scientifique senior au MBIB.
Pour l’avenir, l’équipe est enthousiaste à l’idée d’étudier le phénomène plus en profondeur et de l’intégrer dans les outils des installations laser existantes, afin que la communauté scientifique puisse commencer à explorer le vaste potentiel des rayons X durs attoseconde.
« L’utilisation d’une forte enveloppe interne peut compléter et améliorer d’autres approches visant à générer des impulsions attosecondes qui sont actuellement en cours dans les installations laser à rayons X, et la mise en œuvre est relativement simple », a conclu Junko Yano, co-auteur et directeur du MBIB. « Il est également intéressant de spéculer sur les découvertes inattendues qui pourraient découler de cette approche, comme ce fut le cas lorsque les pionniers de la physique des lasers ont découvert de puissants effets de lasing il y a exactement 70 ans, ce qui a donné naissance à l’un des lasers à rayons X les plus puissants et les plus largement utilisés ».
Article : « Attosecond inner-shell lasing at ångström wavelengths » – DOI : 10.1038/s41586-025-09105-9
