Les salves ultracourtes d'électrons ont plusieurs applications importantes en imagerie scientifique, mais leur production a généralement nécessité un coût élevé, appareil énergivore de la taille d'une voiture.

Dans la revue Optique , chercheurs du MIT, le synchrotron allemand, et l'Université de Hambourg en Allemagne décrivent une nouvelle technique pour générer des sursauts d'électrons, qui pourrait être la base d'un appareil de la taille d'une boîte à chaussures qui ne consomme qu'une fraction de la puissance de ses prédécesseurs.

Les faisceaux d'électrons ultracourts sont utilisés pour collecter directement des informations sur les matériaux qui subissent des réactions chimiques ou des changements d'état physique. Mais après avoir été abattu d'un accélérateur de particules d'un demi-mile de long, ils sont également utilisés pour produire des rayons X ultracourts.

L'année dernière, dans Communication Nature , le même groupe de chercheurs du MIT et de Hambourg a signalé le prototype d'un petit « accélérateur linéaire » qui pourrait servir le même objectif que l'accélérateur de particules beaucoup plus grand et plus cher. Cette technologie, avec une version plus énergétique du nouveau "canon à électrons, " pourrait apporter la puissance d'imagerie des impulsions de rayons X ultracourtes aux laboratoires universitaires et industriels.

En effet, tandis que les sursauts d'électrons rapportés dans le nouvel article ont une durée mesurée en centaines de femtosecondes, ou des quadrillions de seconde (ce qui correspond à peu près à ce que les meilleurs canons à électrons existants peuvent gérer), l'approche des chercheurs a le potentiel de réduire leur durée à une femtoseconde. Une salve d'électrons d'une femtoseconde pourrait générer des impulsions de rayons X attosecondes, qui permettrait une imagerie en temps réel de la machinerie cellulaire en action.

"Nous construisons un outil pour les chimistes, physiciens, et les biologistes qui utilisent des sources lumineuses à rayons X ou les faisceaux d'électrons directement pour faire leurs recherches, " dit Ronny Huang, un doctorant du MIT en génie électrique et premier auteur du nouvel article. "Parce que ces faisceaux d'électrons sont si courts, ils vous permettent en quelque sorte de geler le mouvement des électrons à l'intérieur des molécules lorsque les molécules subissent une réaction chimique. Une source de lumière à rayons X femtoseconde nécessite plus de matériel, mais il utilise des canons à électrons."

En particulier, Huang explique, avec une technique appelée imagerie par diffraction électronique, les physiciens et les chimistes utilisent des salves ultracourtes d'électrons pour étudier les changements de phase dans les matériaux, comme le passage d'un état électriquement conducteur à un état non conducteur, et la création et la dissolution de liaisons entre les molécules dans les réactions chimiques.

Les impulsions de rayons X ultracourtes ont les mêmes avantages que les rayons X ordinaires :elles pénètrent plus profondément dans les matériaux plus épais. La méthode actuelle de production de rayons X ultracourts consiste à envoyer des rafales d'électrons à partir d'un canon à électrons de la taille d'une voiture à travers un milliard de dollars, accélérateur de particules d'un kilomètre de long qui augmente leur vitesse. Ensuite, ils passent entre deux rangées d'aimants - appelés " onduleurs " - qui les convertissent en rayons X.

Dans l'article publié l'année dernière - dont Huang était co-auteur - le groupe MIT-Hambourg, avec des collègues du Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter à Hambourg et de l'Université de Toronto, ont décrit une nouvelle approche pour accélérer les électrons qui pourraient réduire les accélérateurs de particules à la taille d'une table. "C'est censé compléter ça, " Huang dit, sur la nouvelle étude.

Franz Kartner, qui a été professeur de génie électrique au MIT pendant 10 ans avant de passer au synchrotron allemand et à l'Université de Hambourg en 2011, conduit le projet. Kärtner reste chercheur principal au Laboratoire de recherche en électronique du MIT et directeur de thèse de Huang. Lui et Huang sont rejoints sur le nouveau document par huit collègues du MIT et de Hambourg.

Confinement sous-longueur d'onde

Le nouveau canon à électrons des chercheurs est une variante d'un appareil appelé canon RF. Mais là où le canon RF utilise un rayonnement radiofréquence (RF) pour accélérer les électrons, le nouvel appareil utilise un rayonnement térahertz, la bande de rayonnement électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière visible.

Le dispositif des chercheurs, qui a à peu près la taille d'une boîte d'allumettes, se compose de deux plaques de cuivre qui, en leurs centres, ne sont distants que de 75 micromètres. Chaque plaque a deux coudes, de sorte qu'il ressemble plutôt à une lettre à trois volets qui a été ouverte et posée sur le côté. Les plaques se plient dans des directions opposées, de sorte qu'ils soient les plus éloignés (6 millimètres) sur leurs bords.

Au centre de l'une des plaques se trouve une lame de quartz sur laquelle est déposé un film de cuivre qui, à son plus fin, n'a que 30 nanomètres d'épaisseur. Une courte rafale de lumière d'un laser ultraviolet frappe le film à son point le plus fin, brouiller les électrons lâches, qui sont émis sur la face opposée du film.

À la fois, une salve de rayonnement térahertz passe entre les plaques dans une direction perpendiculaire à celle du laser. Tout rayonnement électromagnétique peut être considéré comme ayant des composants électriques et magnétiques, qui sont perpendiculaires les uns aux autres. Le rayonnement térahertz est polarisé de sorte que sa composante électrique accélère les électrons directement vers la seconde plaque.

La clé du système est que la conicité des plaques confine le rayonnement térahertz à une zone - l'espace de 75 micromètres - qui est plus étroite que sa propre longueur d'onde. "C'est quelque chose de spécial, " dit Huang. " Généralement, en optique, vous ne pouvez pas confiner quelque chose en dessous d'une longueur d'onde. Mais en utilisant cette structure, nous avons pu. Le confiner augmente la densité énergétique, ce qui augmente la puissance d'accélération."

En raison de cette puissance d'accélération accrue, l'appareil peut se contenter de faisceaux térahertz dont la puissance est bien inférieure à celle des faisceaux radiofréquence utilisés dans un canon RF typique. De plus, le même laser peut générer à la fois le faisceau ultraviolet et, avec quelques composants optiques supplémentaires, le faisceau térahertz.

Selon James Rosenzweig, professeur de physique à l'Université de Californie à Los Angeles, c'est l'un des aspects les plus attrayants du système des chercheurs. "L'un des principaux problèmes que vous rencontrez avec des sources ultrarapides comme celle-ci est la gigue de synchronisation entre, dire, le laser et le champ accélérateur, qui produit toutes sortes d'effets systématiques qui rendent plus difficile la diffraction électronique résolue en temps, " dit Rosezweig.

"Dans le cas de l'appareil de Kärtner, le laser produit le térahertz et produit également les photoélectrons, la gigue est donc fortement supprimée. Vous pourriez faire des expériences pompe-sonde où le laser est le conducteur et les électrons la sonde, et ils auraient plus de succès que ce que vous avez actuellement. Et bien sûr, ce serait un appareil de très petite taille et de coût modeste. Cela pourrait donc s'avérer très important dans la mesure où ce scénario va. »