Le SLAC enregistre des impulsions de rayons X durs de 100 attosecondes

Une nouvelle référence pour la science ultrarapide des rayons X

Des chercheurs de la Linac Coherent Light Source (LCLS), installée au SLAC National Accelerator Laboratory du département américain de l’Énergie, ont mesuré les impulsions de rayons X de haute énergie les plus courtes jamais enregistrées dans un laser à électrons libres de rayons X. Les impulsions rapportées avaient une énergie photonique d’environ 9 kiloelectronvolts et duraient de 100 à 400 attosecondes.

Une attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde. À cette échelle de temps, les chercheurs cherchent à étudier des processus extrêmement rapides dans la matière, notamment le mouvement des électrons. Les résultats ont été publiés dans Nature Photonics.

Le résultat est important non seulement en raison de la durée de l’impulsion, mais aussi parce que l’équipe a pu la mesurer. Selon le chercheur du SLAC et auteur de l’étude Agostino Marinelli, la production d’impulsions de rayons X de haute énergie à l’échelle de l’attoseconde avait été mise au point au fil de plusieurs années ; démontrer que ces impulsions ne duraient que quelques centaines d’attosecondes était la tâche la plus difficile.

Les rayons X durs combinent vitesse et pénétration

L’expérience portait sur des rayons X durs, ou de haute énergie. Les impulsions d’environ 9 keV sont assez énergétiques pour sonder profondément les systèmes atomiques, tout en étant suffisamment brèves pour capturer le mouvement électronique à des échelles de temps ultrarapides. Cette combinaison les rend pertinentes pour les expériences qui cherchent à examiner la matière à ses échelles les plus petites et les plus rapides.

Pour un laser à électrons libres de rayons X, des impulsions courtes ne suffisent pas à elles seules à établir une capacité scientifique exploitable. Les chercheurs doivent pouvoir caractériser l’énergie, le spectre, la forme et la durée de l’impulsion. Sans un tel diagnostic, une impulsion ultracourte ne peut pas être confirmée avec le niveau de confiance requis par les expériences dépendant d’un timing précis.

La fluorescence comme diagnostic de l’impulsion

Le premier auteur de l’étude, Ichiro Inoue, de l’Université de Tokyo, a proposé une méthode de mesure indirecte fondée sur l’émission spontanée amplifiée, ou ASE. L’ASE se produit lorsqu’une impulsion de rayons X fortement focalisée excite un matériau et le fait fluorescer vers l’avant. Des informations sur l’impulsion de rayons X d’origine sont intégrées dans cette fluorescence émise.

Dans l’expérience du LCLS, l’équipe a généré un faisceau censé contenir des rayons X à l’échelle de l’attoseconde. Une partie du faisceau a été envoyée vers un détecteur qui en a mesuré l’énergie et la forme spectrale. Le reste du faisceau a été focalisé sur une tache de seulement 150 nanomètres de large sur une feuille de cuivre. Cette interaction a produit de l’ASE, captée par un second détecteur.

En utilisant le signal de fluorescence avec les mesures du faisceau d’origine, les chercheurs ont pu déduire les propriétés de l’impulsion de rayons X, notamment sa durée. Le diagnostic a fourni des preuves que les impulsions de rayons X durs se situaient entre 100 et 400 attosecondes.

Pourquoi la mesure est importante

La recherche sur les impulsions ultracourtes dépend de l’adéquation entre l’outil de synchronisation et l’événement étudié. Le mouvement électronique peut se produire bien plus rapidement que les changements chimiques visibles à des échelles de temps plus longues. En principe, une impulsion de quelques centaines d’attosecondes peut fournir une fenêtre temporelle beaucoup plus précise que des éclairs de rayons X plus longs.

Le diagnostic ainsi démontré ajoute donc une capacité pratique importante à la production de rayons X durs attoseconde. Plutôt que de s’appuyer sur une hypothèse concernant la durée de l’impulsion, les chercheurs peuvent évaluer si le faisceau possède les caractéristiques nécessaires à une expérience ultrarapide.

Le travail illustre également le rôle des méthodes expérimentales dans l’avancement des instruments scientifiques. Le record annoncé résulte de la combinaison de la génération du faisceau, de la focalisation à l’échelle nanométrique, d’une cible en cuivre et de deux mesures complémentaires. Chaque élément était nécessaire pour transformer un faisceau ultrarapide en résultat mesurable.

La suite

L’article source décrit ces impulsions comme précieuses pour les travaux portant sur les échelles les plus petites et les plus rapides. Cette présentation ouvre la voie à des études où les rayons X de haute énergie peuvent sonder des systèmes atomiques et où la synchronisation attoseconde peut résoudre le comportement électronique rapide. Le résultat rapporté ne décrit pas en lui-même un matériau ou un processus particulier observé avec les nouvelles impulsions ; il établit et vérifie la capacité de l’impulsion.

Pour le LCLS et le domaine plus large des lasers à électrons libres de rayons X, cette avancée constitue une nouvelle référence de mesure : des impulsions de rayons X durs avec des énergies photoniques proches de 9 keV et des durées pouvant atteindre 100 attosecondes, confirmées par un diagnostic fondé sur l’ASE. Les expériences futures pourront s’appuyer sur cette base lorsqu’elles auront besoin à la fois du pouvoir de pénétration des rayons X durs et de la résolution temporelle de la science attoseconde.

Points clés

• Le LCLS a mesuré des impulsions de rayons X durs durant de 100 à 400 attosecondes.
• Les impulsions avaient des énergies photoniques d’environ 9 keV.
• L’équipe a utilisé l’émission spontanée amplifiée d’une feuille de cuivre comme diagnostic indirect.
• L’étude a été publiée dans Nature Photonics.

Cet article s’appuie sur un reportage de Phys.org. Lire l’article original.