Une équipe dirigée par le SLAC a inventé une méthode, appelé XLEAP, qui génère de puissantes impulsions laser à rayons X à faible énergie qui ne sont que de 280 attosecondes, ou des milliardièmes de milliardième de seconde, long et qui peut révéler pour la première fois les mouvements les plus rapides des électrons qui conduisent la chimie. Cette illustration montre comment les scientifiques utilisent une série d'aimants pour transformer un groupe d'électrons (forme bleue à gauche) à la source de lumière cohérente Linac du SLAC en une pointe de courant étroite (forme bleue à droite), qui produit alors un flash de rayons X attoseconde très intense (jaune). Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Des chercheurs du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie ont inventé un moyen d'observer les mouvements des électrons avec de puissants sursauts laser à rayons X de seulement 280 attosecondes, ou des milliardièmes de milliardième de seconde, longue.
La technologie, appelée génération d'impulsions attosecondes améliorées par laser à rayons X (XLEAP), est une grande avancée vers laquelle les scientifiques travaillent depuis des années, et il ouvre la voie à des études révolutionnaires sur la façon dont les électrons qui se déplacent autour des molécules initient des processus cruciaux en biologie, chimie, science des matériaux et plus encore.
L'équipe a présenté sa méthode aujourd'hui dans un article dans Photonique de la nature .
"Jusqu'à maintenant, nous pouvions observer précisément les mouvements des noyaux atomiques, mais les mouvements d'électrons beaucoup plus rapides qui entraînent réellement les réactions chimiques ont été brouillés, " a déclaré James Cryan, scientifique du SLAC, l'un des principaux auteurs de l'article et chercheur au Stanford PULSE Institute, un institut conjoint du SLAC et de l'Université de Stanford. "Avec cette avance, nous pourrons utiliser un laser à rayons X pour voir comment les électrons se déplacent et comment cela prépare le terrain pour la chimie qui suit. Il repousse les frontières de la science ultrarapide."
Des études sur ces échelles de temps pourraient révéler, par exemple, comment l'absorption de la lumière pendant la photosynthèse pousse presque instantanément les électrons et initie une cascade d'événements beaucoup plus lents qui génèrent finalement de l'oxygène.
"Avec XLEAP, nous pouvons créer des impulsions de rayons X avec la bonne énergie qui sont plus d'un million de fois plus lumineuses que les impulsions attosecondes d'énergie similaire auparavant, " a déclaré Agostino Marinelli, scientifique du SLAC, Chef de projet XLEAP et l'un des auteurs principaux de l'article. "Cela nous permettra de faire tellement de choses que les gens ont toujours voulu faire avec un laser à rayons X, et maintenant aussi sur des échelles de temps attosecondes."
Un bond pour la science des rayons X ultrarapides
Une attoseconde est une période de temps incroyablement courte - deux attosecondes sont à une seconde comme une seconde à l'âge de l'univers. Dans les années récentes, les scientifiques ont fait beaucoup de progrès dans la création d'impulsions de rayons X attosecondes. Cependant, ces impulsions étaient soit trop faibles, soit n'avaient pas la bonne énergie pour se concentrer sur les mouvements rapides des électrons.
Au cours des trois dernières années, Marinelli et ses collègues ont découvert comment une méthode laser à rayons X suggérée il y a 14 ans pourrait être utilisée pour générer des impulsions avec les bonnes propriétés, un effort qui a abouti à XLEAP.
Schéma de l'expérience XLEAP au laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC. LCLS envoie des paquets d'électrons de haute énergie (vert) à travers un aimant onduleur, où l'énergie des électrons est convertie en impulsions de rayons X extrêmement brillantes (bleues) de quelques femtosecondes, ou des millionièmes de milliardième de seconde. Dans la configuration XLEAP, les paquets d'électrons passent deux ensembles supplémentaires d'aimants (wiggler et chicane) qui façonnent chaque paquet d'électrons en un intense, pointe étroite contenant des électrons avec une large gamme d'énergies. Les pointes produisent alors des impulsions de rayons X attosecondes dans l'onduleur. L'équipe XLEAP a également développé un analyseur d'impulsions personnalisé (à droite) pour mesurer les durées d'impulsion extrêmement courtes. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Lors d'expériences menées juste avant que les équipages ne commencent à travailler sur une mise à niveau majeure du laser à rayons X Linac Coherent Lightsource (LCLS) du SLAC, l'équipe XLEAP a démontré qu'elle peut produire des paires d'impulsions de rayons X attosecondes synchronisées avec précision qui peuvent mettre des électrons en mouvement, puis enregistrer ces mouvements. Ces instantanés peuvent être enchaînés dans des films d'action.
Linda Jeune, un expert en science des rayons X au Laboratoire national d'Argonne du DOE et à l'Université de Chicago qui n'a pas participé à l'étude, mentionné, "XLEAP est une très grande avancée. Ses impulsions de rayons X attosecondes d'une intensité et d'une flexibilité sans précédent sont un outil révolutionnaire pour observer et contrôler le mouvement des électrons sur des sites atomiques individuels dans des systèmes complexes."
Les lasers à rayons X comme le LCLS génèrent régulièrement des éclairs lumineux qui durent quelques millionièmes de milliardième de seconde, ou femtosecondes. Le processus commence par la création d'un faisceau d'électrons, qui sont regroupés en paquets courts et envoyés à travers un accélérateur linéaire de particules, où ils gagnent de l'énergie. Voyageant presque à la vitesse de la lumière, ils traversent un aimant appelé onduleur, où une partie de leur énergie est convertie en sursauts de rayons X.
Plus les paquets d'électrons sont courts et brillants, plus les sursauts de rayons X qu'ils créent sont courts, Ainsi, une approche pour produire des impulsions de rayons X attosecondes consiste à compresser les électrons en paquets de plus en plus petits avec une luminosité maximale élevée. XLEAP est un moyen intelligent de faire exactement cela.
Faire des impulsions laser à rayons X attosecondes
Chez LCLS, l'équipe a inséré deux jeux d'aimants devant l'onduleur qui leur ont permis de mouler chaque paquet d'électrons dans la forme requise :un intense, pointe étroite contenant des électrons avec une large gamme d'énergies.
"Quand nous envoyons ces pointes, qui ont des longueurs d'impulsion d'environ une femtoseconde, à travers l'onduleur, ils produisent des impulsions de rayons X qui sont beaucoup plus courtes que cela, " dit Joseph Duris, un scientifique du SLAC et co-premier auteur de l'article. Les impulsions sont également extrêmement puissantes, il a dit, certains d'entre eux atteignant une puissance de crête d'un demi térawatt.
Pour mesurer ces impulsions de rayons X incroyablement courtes, les scientifiques ont conçu un appareil spécial dans lequel les rayons X traversent un gaz et retirent certains de ses électrons, créer un nuage d'électrons. La lumière polarisée circulairement d'un laser infrarouge interagit avec le nuage et donne un coup de fouet aux électrons. En raison de la polarisation particulière de la lumière, certains des électrons finissent par se déplacer plus rapidement que d'autres.
"La technique fonctionne de manière similaire à une autre idée mise en œuvre au LCLS, qui trace le temps sur des angles comme les bras d'une horloge, " dit Siqi Li, un article co-premier auteur et récent doctorat de Stanford. "Il nous permet de mesurer la distribution des vitesses et des directions des électrons, et à partir de là, nous pouvons calculer la longueur d'impulsion des rayons X."
Prochain, l'équipe XLEAP va encore optimiser sa méthode, ce qui pourrait conduire à des impulsions encore plus intenses et éventuellement plus courtes. Ils se préparent également pour LCLS-II, la mise à niveau du LCLS qui déclenchera jusqu'à un million d'impulsions de rayons X par seconde-8, 000 fois plus rapide qu'avant. Cela permettra aux chercheurs de faire des expériences dont ils rêvent depuis longtemps, telles que des études de molécules individuelles et de leur comportement sur les échelles de temps les plus rapides de la nature.
