Les faisceaux de rayons X ne sont pas utilisés uniquement par les médecins pour voir l'intérieur de votre corps et savoir si vous avez un os cassé. Des faisceaux plus puissants composés d’éclairs très courts de rayons X peuvent aider les scientifiques à examiner la structure des atomes et des molécules individuels et à différencier les types d’éléments.
Mais obtenir un faisceau laser à rayons X qui délivre des flashs très courts pour capturer les processus les plus rapides de la nature n'est pas facile : c'est toute une science en soi.
Les ondes radio, les micro-ondes, la lumière visible que vous pouvez voir, la lumière ultraviolette et les rayons X sont tous exactement le même phénomène : des ondes électromagnétiques d’énergie se déplaçant dans l’espace. Ce qui les différencie, c'est leur longueur d'onde. Les ondes dans la gamme des rayons X ont des longueurs d'onde courtes, tandis que les ondes radio et les micro-ondes sont beaucoup plus longues. Différentes longueurs d'onde de lumière sont utiles pour différentes choses : les rayons X aident les médecins à prendre des instantanés de votre corps, tandis que les micro-ondes peuvent réchauffer votre déjeuner.
Les lasers optiques sont des dispositifs qui émettent des faisceaux de lumière parallèles ou collimatés. Ils envoient un faisceau dont toutes les ondes ont la même longueur d’onde (la lumière rouge que vous recevez d’un pointeur laser en est un exemple) et oscillent en synchronicité.
Au cours des 15 dernières années, les scientifiques ont construit des lasers à électrons libres à rayons X qui, au lieu d'émettre des faisceaux de lumière visible, émettent des rayons X. Ils sont hébergés dans de grandes installations où les électrons voyagent à travers un long accélérateur – selon l’installation, entre quelques centaines de mètres et 1 700 mètres – et après avoir traversé une série de milliers d’aimants, ils génèrent des impulsions de rayons X extrêmement courtes et puissantes.
Les impulsions sont utilisées un peu comme la photographie au flash, où le flash (l'impulsion des rayons X) est suffisamment court pour capturer le mouvement rapide d'un objet. Les chercheurs les ont utilisés comme caméras pour étudier comment les atomes et les molécules se déplacent et changent à l’intérieur des matériaux ou des cellules.
Mais même si ces impulsions laser à électrons libres à rayons X sont très courtes et puissantes, ce ne sont pas les impulsions les plus courtes que les scientifiques peuvent produire avec des lasers. En utilisant une technologie plus avancée et en tirant parti des propriétés de certains matériaux, les chercheurs peuvent créer des impulsions encore plus courtes : dans la région attoseconde.
Une attoseconde équivaut à un milliardième de milliardième de seconde. Une attoseconde équivaut à une seconde à peu près à ce qu'une seconde représente à l'âge de 14 milliards d'années de l'univers. Les processus les plus rapides dans les atomes et les molécules se produisent à l’échelle de l’attoseconde : par exemple, il faut des attosecondes aux électrons pour se déplacer à l’intérieur d’une molécule.
Nous sommes des physiciens qui travaillons avec des lasers à électrons libres à rayons X. Nous étudions ce qui se passe lorsque nous plaçons différents types de matériaux sur le trajet des impulsions d'électrons libres des rayons X. Dans une nouvelle expérience, nous avons placé des échantillons de cuivre et de manganèse sur le trajet d’impulsions laser à électrons libres à rayons X hautement focalisées. Nous savions que les interactions entre ces éléments et les impulsions laser à rayons X à électrons libres généreraient de nouvelles impulsions laser à rayons X.
À l’origine, nous voulions découvrir comment différentes formes chimiques de l’élément manganèse, par exemple le manganèse-II et le manganèse-VII, créeraient de petits changements dans les longueurs d’onde de ces impulsions laser à rayons X nouvellement générées.
Mais en cours de route, nous avons découvert des résultats inattendus qui faisaient agir étrangement les impulsions laser à rayons X nouvellement générées. Au début, nous ne comprenions pas pourquoi, mais lorsque nous l'avons finalement compris, nous avons réalisé que nous avions découvert deux phénomènes laser uniques et que ces effets nous avaient aidés à générer des impulsions laser à rayons X beaucoup plus courtes que prévu, plus courtes que les impulsions de rayons X les plus rapides jamais générées auparavant.
Filamentation : poussées irrégulières
Nous avons constaté que nos nouvelles impulsions laser à rayons X n’étaient pas toujours projetées vers l’avant, comme nous l’espérions. Lorsque nous avons augmenté l’intensité des impulsions laser à rayons X à électrons libres, les nouvelles impulsions laser à rayons X résultantes jaillissaient de manière irrégulière, dans des directions légèrement différentes.
Pour les lasers optiques, ces poussées irrégulières – ou filamentation – résultent du changement de l'indice de réfraction dans le matériau du laser. Mais nous ne nous attendions pas à observer cet effet avec les rayons X, car les matériaux, notamment le manganèse et le cuivre que nous avons utilisés, ne réfractent pas beaucoup les rayons X.
Cependant, les impulsions laser à électrons libres à rayons X de haute intensité que nous avons utilisées ont généré des fluctuations au niveau quantique dans nos matériaux qui ont conduit à ces poussées irrégulières.
Le vélo Rabi : un large spectre de lumière
Ce qui est encore plus surprenant que les effets de filamentation que nous avons observés était le fait que les impulsions de rayons X que nous avons générées contenaient une variété de longueurs d'onde différentes qui étaient plus étalées que ce à quoi nous nous attendions avec les matériaux que nous avons utilisés.
Il y a soixante-dix ans, cinq ans avant la construction du premier laser optique, les physiciens Stanley Autler et Charles Townes ont découvert un phénomène étrange dans les micro-ondes connu sous le nom de cycle de Rabi. Et la répartition des longueurs d’onde que nous avons observée ressemblait à celle du vélo de Rabi.
Autler et Townes savaient que lorsque la lumière frappait un atome, celui-ci absorbait son énergie en excitant un électron d'un niveau d'énergie à un niveau supérieur. Le trou laissé par cet électron manquant est rempli par un électron qui descend d’un niveau d’énergie plus élevé dans l’atome et libère – ou émet – cette différence d’énergie sous forme de lumière.
Autler et Townes ont découvert que lorsque les micro-ondes sont très intenses, le champ électrique puissant peut diviser chacun de ces niveaux d'énergie en deux niveaux distincts, appelés doublets, qui ont des énergies légèrement différentes.
Ces doublets sont séparés par une énergie, ou une fréquence, connue sous le nom de fréquence Rabi. La fréquence Rabi dépend de l’intensité de la nouvelle lumière. Plus il est fort, plus la séparation énergétique est importante.
Lors de la découverte du cyclisme Rabi par Autler et Townes, ils ont utilisé des micro-ondes. La division de l'énergie était si petite que la fréquence Rabi était très basse, aux fréquences des ondes radio.
Dans cette nouvelle étude, nous avons utilisé les rayons X, qui ont des longueurs d'onde 100 millions de fois plus courtes que les micro-ondes et 100 millions de fois plus d'énergie. Cela signifiait que les nouvelles impulsions laser à rayons X résultantes étaient divisées en différentes longueurs d'onde de rayons X correspondant aux fréquences Rabi dans la région ultraviolette extrême. La lumière ultraviolette a une fréquence 100 millions de fois supérieure à celle des ondes radio.
Cet effet de cycle Rabi nous a permis de générer les impulsions de rayons X à haute énergie les plus courtes à ce jour, avec une durée de 60 à 100 attosecondes.
Orientations et applications futures
Bien que les impulsions générées actuellement par les lasers à électrons libres à rayons X permettent aux chercheurs d’observer la formation, la réorganisation et la rupture des liaisons atomiques, elles ne sont pas assez rapides pour regarder à l’intérieur du nuage électronique qui génère de telles liaisons. L’utilisation de ces nouvelles impulsions laser attosecondes à rayons X pourrait permettre aux scientifiques d’étudier les processus les plus rapides dans les matériaux à l’échelle atomique et de discerner différents éléments.
À l’avenir, nous espérons également utiliser des impulsions laser à électrons libres beaucoup plus courtes pour mieux générer ces impulsions de rayons X attosecondes. Nous espérons même générer des impulsions inférieures à 60 attosecondes en utilisant des matériaux plus lourds et à durée de vie plus courte, comme le tungstène ou l'hafnium. Ces nouvelles impulsions de rayons X sont suffisamment rapides pour permettre aux scientifiques de répondre à des questions telles que la manière exacte dont se déplace un nuage d’électrons et ce qu’est réellement une liaison chimique.
