Une collaboration de recherche internationale a découvert que les impulsions laser à rayons X ultrarapides provoquent une atténuation des images de diffraction des cristaux de silicium à des intensités élevées en raison de dommages électroniques rapides. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités pour une production d’impulsions laser plus courte et une analyse plus précise de la structure atomique.
La recherche révèle que les impulsions de rayons X de haute intensité provoquent une atténuation inattendue des images de diffraction des cristaux de silicium, un phénomène qui pourrait conduire à des progrès dans la technologie laser et l’analyse des matériaux.
Lorsque nous éclairons quelque chose, nous nous attendons généralement à ce que plus la source que nous utilisons est lumineuse, plus l’image résultante sera lumineuse. Cette règle fonctionne également pour les impulsions ultra-courtes de lumière laser, mais seulement jusqu’à une certaine intensité.
Les chercheurs étudient pourquoi les images de diffraction des rayons X deviennent moins lumineuses à des intensités de rayons X très élevées. Comprendre ce phénomène approfondit non seulement nos connaissances sur l’interaction lumière-matière, mais offre également une perspective unique pour la production d’impulsions laser de durées beaucoup plus courtes que celles actuellement disponibles.
Montage expérimental à l’installation SACLA utilisé pour l’expérience de diffraction présentée sur des échantillons de silicium cristallin. Crédit : SACLA
Observations surprenantes en diffraction des rayons X
Plus il y a de lumière, plus c’est brillant ? Ce constat pourrait paraître anodin, n’était que… ce n’est pas toujours vrai ! Lorsque les cristaux de silicium sont éclairés par des impulsions laser ultrarapides de rayons X, les images de diffraction résultantes sont en effet initialement d’autant plus lumineuses que plus de photons tombent sur l’échantillon, c’est-à-dire plus l’intensité du faisceau est élevée.
Récemment, cependant, un effet contre-intuitif a été observé : lorsque l’intensité du faisceau de rayons X commence à dépasser une certaine valeur critique, les images de diffraction s’affaiblissent de manière inattendue.
Ce phénomène déroutant vient d’être expliqué, grâce aux efforts des physiciens expérimentaux et théoriciens des instituts de recherche japonais, polonais et allemands, dont le RIKEN Printemps-8 Centre de Hyogo, l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie et le Centre pour la science des lasers à électrons libres (CFEL) au DESY laboratoire à Hambourg.
L’installation laser à électrons libres SACLA, où a été réalisée l’expérience de diffraction d’impulsions de rayons X ultra-courtes sur des échantillons de silicium cristallin. Crédit : SACLA
Le rôle des XFEL dans l’analyse de la matière
Les lasers à rayons X à électrons libres (XFEL) génèrent des impulsions de rayons X très puissantes d’une durée de femtosecondes, c’est-à-dire des quadrillions de seconde. Des machines de ce type, qui ne fonctionnent actuellement que dans quelques endroits dans le monde, sont utilisées, entre autres, pour analyser la structure de la matière par diffraction des rayons X. Avec cette technique, un échantillon est éclairé par une impulsion de rayons X et le rayonnement diffracté est enregistré. L’image de diffraction obtenue est ensuite utilisée afin de reconstruire la structure cristalline originale du matériau examiné.
Expliquer l’effet de gradation inattendu
« L’intuition nous dit que plus nous avons de photons, plus l’image de diffraction de l’échantillon doit être claire. C’est bien le cas, mais seulement jusqu’à une certaine intensité des rayons X, de l’ordre de dizaines de milliards de watts par centimètre carré. Lorsque cette valeur est dépassée – et nous n’y sommes parvenus que récemment – le signal de diffraction commence soudainement à s’affaiblir. Notre recherche est la première tentative pour expliquer cet effet inattendu », explique le professeur Beata Ziaja-Motyka (IFJ PAN, DESY), qui s’occupe de la modélisation théorique et des simulations informatiques des phénomènes liés à l’interaction des impulsions de rayons X ultrarapides avec la matière.
Aperçus de la recherche théorique et des simulations
Les recherches théoriques entreprises pour expliquer les résultats de l’expérience de tir laser XFEL sur des échantillons de silicium cristallin dans l’installation japonaise XFEL, appelée SACLA, à Hyogo, ont été étayées par des simulations informatiques. L’explication suivante du phénomène observé est ressortie des travaux des chercheurs.
« Lorsqu’une avalanche de photons de haute énergie frappe un matériau, il se produit une destruction massive d’électrons provenant de diverses couches atomiques, ce qui entraîne une ionisation rapide des atomes du matériau. L’année dernière, notre groupe a montré que les premiers mouvements des atomes ionisés dans le réseau cristallin, déclenchant le processus d’autodestruction structurelle de l’échantillon, se produisaient avec un délai d’environ 20 femtosecondes après que l’impulsion lumineuse ait frappé l’échantillon. Nous sommes désormais convaincus que la raison de l’affaiblissement récemment observé du signal de diffraction est due à des phénomènes se produisant plus tôt, dans les six premières femtosecondes de l’interaction », explique le Dr Ichiro Inoue du Centre RIKEN SPring-8, responsable du projet expérimental. étude.
Au cours de la phase initiale de l’interaction rayons X-matière, les photons de haute énergie entrants excitent rapidement non seulement les électrons de « surface » (valence) des atomes, mais également les électrons occupant les couches atomiques profondes, situées à proximité du noyau atomique. Il s’avère que la présence de trous profonds dans les coquilles des atomes réduit fortement leurs facteurs de diffusion atomique, c’est-à-dire les quantités déterminant l’intensité du signal de diffraction observé.
Dommages électroniques et leurs effets
«Nos recherches montrent qu’avant qu’un dommage structurel au matériau ne se produise et que l’échantillon ne se désintègre, un dommage électronique rapide se produit. En conséquence, la dernière partie de l’impulsion n’ionise pratiquement plus le matériau, car une excitation ultérieure des électrons par des photons de rayons X n’est plus possible du point de vue énergétique », précise le professeur Ziaja-Motyka.
Applications potentielles et avancées
À première vue, l’effet observé semble tout simplement défavorable, car il se traduit par une diminution de la luminosité des images de diffraction enregistrées. Il semble cependant que l’on puisse très bien exploiter cette découverte. L’observation selon laquelle différents atomes réagissent différemment aux impulsions de rayons X ultrarapides pourrait aider à reconstruire plus précisément les structures atomiques complexes tridimensionnelles à partir des images de diffraction enregistrées.
Un autre domaine d’application potentiel concerne la production d’impulsions laser avec des durées d’impulsion extrêmement courtes. Étant donné que le matériau à travers lequel passe l’impulsion de rayons X de haute intensité « coupe » une partie importante de l’impulsion déjà ultra-courte, il peut être délibérément utilisé comme « ciseaux » pour générer des impulsions qui sont effectivement plus courtes que celles produites jusqu’à présent. . En cas de succès, cela pourrait stimuler une autre avancée dans l’imagerie du monde quantique.
Les recherches présentées ici ont été cofinancées par l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences.
