Cette animation illustre la technique d'imagerie "sonde avant destruction" rendue possible par le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC. À gauche, les rayons X de plus longue durée produits par des installations de recherche plus conventionnelles peuvent détruire ou endommager les échantillons lorsqu'ils les traversent, ce qui peut rendre difficile la capture d'images de haute qualité avant que des dommages ne surviennent. L'ultralumineux, impulsions de rayons X ultracourtes au LCLS, droit, peut collecter les données nécessaires pour générer des images dans l'instant avant que l'échantillon ne soit endommagé, préserver les caractéristiques intactes des particules telles que les cellules et les virus. Crédit :Chris Smith/Olivier Bonin/Laboratoire national des accélérateurs SLAC
Lasers à rayons X à électrons libres, tels que la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, produire des impulsions de rayons X intenses qui permettent aux chercheurs d'imager des objets biologiques, telles que les protéines et autres machines moléculaires, à haute résolution. Mais ces faisceaux puissants peuvent détruire des échantillons délicats, déclencher des changements qui peuvent affecter le résultat d'une expérience et invalider les résultats.
Pour lutter contre cela, les chercheurs utilisent une méthode appelée probe-before-destroy, ce qui leur permet de collecter des informations précises à partir d'échantillons dans l'instant avant qu'ils ne soient détruits, générer des images qui préservent les informations sur la structure moléculaire des particules biologiques telles que les cellules, protéines et virus. Mais jusqu'à récemment, on ne savait pas à quel point cette méthode pouvait être fiable pour mesurer le comportement des électrons, car les rayons X puissants peuvent affecter les électrons beaucoup plus rapidement que les atomes. Cela pourrait limiter l'applicabilité de la technique aux procédés chimiques ultrarapides, tels que ceux impliqués dans la catalyse.
Maintenant, une équipe dirigée par les scientifiques du SLAC Roberto Alonso-Mori, Dimosthenis Sokaras et Diling Zhu ont trouvé un moyen d'avoir une idée précise de la façon de régler le faisceau de rayons X pour s'assurer que la structure électronique n'est pas endommagée avant de le mesurer, offrant une plus grande confiance dans les résultats des expériences XFEL. Dans un premier, l'équipe a observé le comportement des électrons dans les premières femtosecondes, ou des millionièmes de milliardième de seconde, après qu'un échantillon de fer a été dynamité avec des impulsions laser intenses. leurs résultats, récemment publié dans Rapports scientifiques , démontrer comment les propriétés spécifiques du faisceau de rayons X, telles que la durée ou l'intensité des impulsions, peut affecter les électrons les plus externes d'un atome, qui sont ceux qui participent à la création et à la rupture des liaisons lors des réactions chimiques.
Les résultats permettront aux scientifiques d'affiner les expériences pompe-sonde, dans lequel une impulsion laser déclenche une réaction dans un échantillon et une impulsion de rayons X mesure immédiatement le réarrangement des électrons. En faisant varier le temps entre le laser et les impulsions de rayons X, les chercheurs peuvent faire une série d'images et les enchaîner dans un film en stop-motion de ces minuscules, mouvements rapides, offrant un aperçu des réactions chimiques activées par la lumière.
Cette illustration montre une impulsion laser optique (rouge) et une impulsion laser à rayons X (bleu clair) frappant un échantillon. L'utilisation d'impulsions laser synchronisées dans la même expérience, connue sous le nom de technique "pompe-sonde", est commun pour le laser à rayons X à source de lumière cohérente Linac du SLAC, et un outil de chronométrage développé par une équipe internationale permet des mesures plus précises du temps d'arrivée des impulsions laser au LCLS. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
« Ces expérimentations sont un outil clé dans le programme de recherche de notre équipe, " dit Sokaras. " La capacité d'accéder soigneusement à la gamme 'acceptable' de conditions LCLS nous permettra d'effectuer des études pompe-sonde qui sont à la fois fiables et sans précédent. "
L'équipe a travaillé en étroite collaboration avec le groupe d'accélérateurs LCLS pour fournir des impulsions de rayons X encore plus courtes que d'habitude afin d'étudier comment les électrons se sont réarrangés dans les premières femtosecondes de l'explosion. Une caméra à faisceau d'électrons, le XTCAV, a contribué à mesurer avec précision la longueur des impulsions de rayons X.
Alonso-Mori dit, "L'étude valide les méthodes qui ont été utilisées au LCLS ces dernières années, régler le débat sur leur validité ou si les données collectées sont déjà altérées dans les premières femtosecondes par les intenses impulsions de rayons X. »
Pour faire suite à cette recherche, l'équipe espère sonder la structure électronique avec une intensité encore plus élevée, profitant des progrès récents dans la mise en forme et le contrôle du faisceau de rayons X.
« Cela peut être utilisé pour mieux comprendre les étapes initiales des processus de formation de matière chaude et dense aux XFEL, " dit Zhu, "qui offrent un aperçu de la formation et de l'évolution des systèmes planétaires."
