Des électrons sur des orbites différentes au cours des trois révolutions (bleu, rouge et vert) traversent différents arrangements de champ magnétique et émettent ainsi des impulsions de rayons X différemment polarisées. En comparaison l'orbite régulière (noir). Crédit :F. Armborst/K. Holldack
Au niveau de l'anneau de rangement BESSY II, une équipe commune de physiciens des accélérateurs, des experts en onduleurs et des expérimentateurs ont montré comment l'hélicité du rayonnement synchrotron à polarisation circulaire peut être commutée plus rapidement, jusqu'à un million de fois plus rapidement qu'auparavant. Ils ont utilisé un double onduleur elliptique développé à HZB et ont fait fonctionner l'anneau de stockage en mode dit à deux orbites. Il s'agit d'un mode de fonctionnement particulier qui n'a été développé que récemment à BESSY II et qui constitue la base d'une commutation rapide. Le changement ultra-rapide d'hélicité lumineuse est particulièrement intéressant pour observer les processus dans les matériaux magnétiques et était attendu depuis longtemps par une large communauté d'utilisateurs.
Dans les sources de rayonnement synchrotron telles que BESSY II, des paquets d'électrons orbitent autour de l'anneau de stockage à presque la vitesse de la lumière. Ils sont obligés d'émettre des impulsions lumineuses extrêmement brillantes avec des propriétés spéciales par des structures magnétiques périodiques (onduleurs).
Les onduleurs elliptiques peuvent également être utilisés pour générer des impulsions lumineuses à polarisation circulaire, qui affichent une caractéristique appelée hélicité :la polarisation va soit dans le sens horaire, soit dans le sens antihoraire. Les structures magnétiques des matériaux réagissent différemment à la lumière polarisée circulairement :en fonction de l'hélicité des impulsions de rayons X, ils absorbent plus ou moins ce rayonnement.
Depuis les années 1980, ceci a été exploité dans les expériences dites XMCD (X-ray Circular Dichroism) pour étudier les changements statiques et dynamiques dans les matériaux magnétiques ou pour imager des nanostructures magnétiques sur des surfaces.
Surtout pour de telles techniques d'imagerie, la communauté des utilisateurs des sources de rayonnement synchrotron a longtemps souhaité la possibilité de changer rapidement l'hélicité de la lumière, principalement parce que cela se traduit directement par un contraste d'image magnétique qui rend les bits dans les dispositifs de stockage de données magnétiques visibles et quantifiables.
Une image aux rayons X du faisceau d'électrons en mode TRIB où deux orbites coexistent :l'orbite régulière et la seconde s'enroulant autour d'elle ne se fermant qu'après trois tours. Crédit :F. Armborst/K. Hollande/HZB
Dans les onduleurs elliptiques typiques de BESSY II (APPLE II), développé par le groupe autour de Johannes Bahrdt, l'hélicité de la lumière est commutée par un déplacement mécanique d'arrangements d'un mètre de long d'aimants permanents puissants, un processus qui prend parfois jusqu'à quelques minutes.
La nouvelle méthode, cependant, est basé sur la combinaison de ces onduleurs avec une orbite spéciale du faisceau d'électrons dans l'anneau de stockage - généré par les soi-disant TRIB (transverse resonance island buckets). Les TRIB ont été explorés expérimentalement par l'expert en accélérateurs Dr. Paul Goslawski à BESSY II. Alors que le chemin des électrons dans l'anneau de stockage se ferme normalement après une orbite, dans le mode TRIBs, les électrons circulent sur différentes orbites au cours d'orbites successives et peuvent ainsi émettre des impulsions de rayons X à partir de différentes configurations de champ magnétique, ont suggéré le Dr Karsten Holldack et le Dr Johannes Bahrdt.
Ils ont récemment pu montrer que leur idée fonctionnait réellement avec l'aide du double onduleur existant UE56-2 à BESSY II dans une expérience pilote :lors du passage à travers un agencement magnétique spécialement préparé de ce double onduleur, les paquets d'électrons provenant d'orbites différentes en mode TRIBs ont émis des photons de rayons X de même longueur d'onde mais de polarisation circulaire opposée.
Ainsi, en principe, Les signaux XMCD provenant d'échantillons magnétiques peuvent désormais être étudiés à des intervalles de seulement 1 microseconde avec des impulsions lumineuses polarisées circulairement à droite puis à gauche. Dans l'expérience pilote, les signaux XMCD d'un échantillon magnétique (nickel dans du permalloy) ont été détectés de révolution en révolution et le changement d'hélicité rapide (MHz) a pu être clairement démontré. Avec de nouveaux onduleurs adaptés à cet effet, des lignes de lumière spéciales à changement d'hélicité ultrarapide pourraient être proposées à BESSY II en mode TRIBs. En fin de compte, les temps de commutation pourraient se réduire à des nanosecondes.
"Nous sommes vraiment ravis que le développement Two-Orbit/TRIBs permet maintenant déjà de nouvelles expériences à BESSY II", dit Goslawski. Ce serait également une option intéressante pour BESSY III. Les résultats sont maintenant publiés dans Nature Communications Physique .
