Une équipe de chercheurs de l’European XFEL et de DESY a réalisé une avancée majeure dans la science des rayons X en générant des impulsions de rayons X durs attosecondes d’une puissance sans précédent à des taux de répétition de l’ordre du mégahertz. Cette avancée ouvre de nouvelles frontières dans l’étude de la dynamique ultrarapide des électrons et permet des mesures non destructives au niveau atomique.
Les chercheurs ont démontré l’existence d’impulsions de rayons X durs à pointe unique dont l’énergie dépasse 100 microjoules et dont la durée n’est que de quelques centaines d’attosecondes. Une attoseconde correspond à un quintillionième (10-18) de seconde, une échelle de temps qui permet aux scientifiques de saisir les mouvements d’électrons les plus rapides dans la matière.
« Ces impulsions de rayons X attosecondes de grande puissance pourraient ouvrir de nouvelles voies pour l’étude de la matière à l’échelle atomique », explique Jiawei Yan, physicien à l’European XFEL et auteur principal de l’étude publiée dans Nature Photonics. « Grâce à ces rayons X uniques, nous pouvons effectuer des mesures des propriétés structurelles et électroniques sans aucun dommage. Cela ouvre la voie à des études avancées telles que la cristallographie attoseconde, qui nous permet d’observer la dynamique électronique dans l’espace réel. »
Les méthodes traditionnelles pour générer de telles impulsions ultra-courtes de rayons X durs nécessitaient de réduire considérablement la charge de la grappe d’électrons à des dizaines de picocoulombs, ce qui limitait l’énergie de l’impulsion et son utilisation pratique.
L’équipe a mis au point une méthode d’auto-chirurgie qui utilise les effets collectifs des faisceaux d’électrons et des systèmes de transport de faisceaux spécialisés du XFEL européen. Cette approche permet de générer des impulsions de rayons X attosecondes à une puissance de crête de l’ordre du térawatt et à des taux de répétition de l’ordre du mégahertz sans réduire la charge de la grappe d’électrons.
« En combinant des impulsions ultracourtes avec des taux de répétition de l’ordre du mégahertz, nous pouvons désormais collecter des données beaucoup plus rapidement et observer des processus qui étaient auparavant invisibles », explique Gianluca Geloni, chef du groupe de physique du FEL à l’European XFEL. « Ce développement promet de transformer la recherche dans de nombreux domaines scientifiques, en particulier pour l’imagerie à l’échelle atomique des molécules et des matériaux protéiques et pour l’étude des phénomènes non linéaires des rayons X. »
Légende illustration : Les électrons hautement accélérés (nuage bleu) sont fortement comprimés à l’aide d’une optique de faisceau spéciale (ligne brillante au centre). Il en résulte des impulsions de rayons X très brillantes (en jaune) d’une durée de quelques centaines d’attosecondes seulement et d’une puissance de l’ordre du térawatt. Illustration : XFEL européen, Tobias Wüstefeld
Article : « Terawatt-attosecond hard X-ray free-electron laser at high repetition rate » – DOI: 10.1038/s41566-024-01566-0
Source : Desy – Traduction Enerzine.com
