Une équipe internationale de scientifiques a conçu des lunettes à rayons X spéciales pour concentrer le faisceau d'un laser à rayons X plus fort que jamais. La lentille correctrice produite individuellement élimine presque complètement les défauts inévitables d'un empilement d'optiques à rayons X et concentre les trois quarts du faisceau de rayons X sur un point de 250 nanomètres (millionièmes de millimètre) de diamètre, proche de la limite théorique. Le faisceau de rayons X concentré peut non seulement améliorer la qualité de certaines mesures, mais ouvre aussi de toutes nouvelles voies de recherche, comme l'écrit l'équipe entourant le scientifique principal de DESY, Christian Schroer, dans le journal Communication Nature .

Bien que les rayons X obéissent aux mêmes lois optiques que la lumière visible, ils sont difficiles à focaliser ou à dévier :« Seuls quelques matériaux sont disponibles pour fabriquer des lentilles et des miroirs à rayons X adaptés, " explique le co-auteur Andreas Schropp de DESY. " De plus, puisque la longueur d'onde des rayons X est très inférieure à celle de la lumière visible, la fabrication de lentilles à rayons X de ce type nécessite un degré de précision bien supérieur à celui requis dans le domaine des longueurs d'onde optiques - même le moindre défaut dans la forme de la lentille peut avoir un effet néfaste."

La production de lentilles et de miroirs adaptés a déjà atteint un très haut niveau de précision, mais les lentilles standard, constitué de l'élément béryllium, sont généralement légèrement trop fortement courbés près du centre, comme le note Schropp. "Les lentilles en béryllium sont moulées par compression à l'aide de matrices de précision. Des erreurs de forme de l'ordre de quelques centaines de nanomètres sont pratiquement inévitables dans le processus." Cela se traduit par plus de lumière diffusée hors du foyer que ce qui est inévitable en raison des lois de la physique. Quoi de plus, cette lumière est répartie assez uniformément sur une zone assez grande.

De tels défauts ne sont pas pertinents dans de nombreuses applications. "Toutefois, si vous souhaitez chauffer de petits échantillons à l'aide du laser à rayons X, vous voulez que le rayonnement soit focalisé sur une zone la plus petite possible, " dit Schropp. " Il en est de même pour certaines techniques d'imagerie, où vous voulez obtenir une image de petits échantillons avec autant de détails que possible."

Afin d'optimiser la mise au point, les scientifiques ont d'abord mesuré méticuleusement les défauts de leur pile portable de lentilles à rayons X en béryllium. Ils ont ensuite utilisé ces données pour usiner une lentille correctrice personnalisée en verre de quartz, à l'aide d'un laser de précision à l'Université d'Iéna. Les scientifiques ont ensuite testé l'effet de ces lunettes à l'aide du laser à rayons X LCLS au SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis.

"Sans les verres correcteurs, notre objectif focalisait environ 75 pour cent de la lumière des rayons X sur une zone d'un diamètre d'environ 1600 nanomètres. C'est environ dix fois plus grand que théoriquement réalisable, " rapporte l'auteur principal Frank Seiboth de l'Université technique de Dresde, qui travaille maintenant chez DESY. "Quand les lunettes étaient utilisées, 75% des rayons X pourraient être focalisés dans une zone d'environ 250 nanomètres de diamètre, le rapprochant de l'optimum théorique." Avec le verre correcteur, environ trois fois plus de rayons X étaient concentrés dans le speckle central que sans lui. En revanche, la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM), la mesure scientifique générique de la netteté de la mise au point en optique, n'a pas beaucoup changé et est resté à environ 150 nanomètres, avec ou sans lunettes.

La même combinaison d'optiques mobiles standard et de verres sur mesure a également été étudiée par l'équipe de la source de rayons X synchrotron PETRA III de DESY et de la British Diamond Light Source. Dans les deux cas, la lentille correctrice a conduit à une amélioration comparable à celle observée au laser à rayons X. "En principe, notre méthode permet de réaliser un verre correcteur individuel pour chaque optique à rayons X, " explique le scientifique principal Schroer, qui est également professeur de physique à l'Université de Hambourg.

"Ces plaques dites de phase peuvent non seulement profiter aux sources de rayons X existantes, mais en particulier, ils pourraient devenir un élément clé des lasers à rayons X et des sources de lumière synchrotron de prochaine génération, " souligne Schroer. " La focalisation des rayons X aux limites théoriques n'est pas seulement une condition préalable à une amélioration substantielle d'une gamme de différentes techniques expérimentales; elle peut également ouvrir la voie à des méthodes d'investigation totalement nouvelles. Les exemples incluent la diffusion non linéaire de particules de lumière par des particules de matière, ou créer des particules de matière à partir de l'interaction de deux particules de lumière. Pour ces méthodes, les rayons X doivent être concentrés dans un espace minuscule, ce qui signifie qu'une focalisation efficace est essentielle."