Les rayons X rendent visible l'invisible :ils permettent de déterminer la structure des matériaux jusqu'au niveau des atomes individuels. Dans les années 1950, ce sont les rayons X qui ont révélé la structure en double hélice de l'ADN. Avec de nouvelles sources de rayons X, comme le laser à électrons libres XFEL à Hambourg, il est même possible de "filmer" des réactions chimiques. Les résultats obtenus à partir d'études utilisant ces nouvelles sources de rayons X pourraient être sur le point de devenir encore plus précis. Une équipe autour de Kilian Heeg de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg a maintenant trouvé un moyen de rendre le spectre des impulsions de rayons X émis par ces sources encore plus étroit. Contrairement aux lasers standards, qui génèrent de la lumière d'une seule couleur et longueur d'onde, Les sources de rayons X produisent généralement des impulsions avec un large spectre de longueurs d'onde différentes. Des impulsions plus nettes pourraient bientôt conduire à des applications qui n'étaient pas réalisables auparavant. Cela comprend le test des constantes physiques et la mesure des longueurs et des temps encore plus précisément que ce qui peut être réalisé actuellement.

Les chercheurs utilisent la lumière et d'autres rayonnements électromagnétiques pour développer de nouveaux matériaux à l'œuvre dans l'électronique, automobile, aéronefs ou centrales électriques, ainsi que pour des études sur des biomolécules telles que la fonction des protéines. Le rayonnement électromagnétique est également l'outil de choix pour observer les réactions chimiques et les processus physiques dans les gammes micro et nano. Différents types de spectroscopie utilisent différentes longueurs d'onde individuelles pour stimuler des oscillations caractéristiques dans des composants spécifiques d'une structure. Quelles longueurs d'onde interagissent avec la structure – les physiciens utilisent le terme de résonance – nous renseignent sur leur composition et la façon dont elles sont construites; par exemple, comment les atomes d'une molécule sont disposés dans l'espace.

Contrairement à la lumière visible, qui a une énergie beaucoup plus faible, les rayons X peuvent déclencher une résonance non seulement dans la couche électronique d'un atome, mais aussi au plus profond du noyau atomique, son noyau. La spectroscopie aux rayons X apporte donc une connaissance unique des matériaux. En outre, les résonances de certains noyaux atomiques sont très aiguës, permettant en principe des mesures extrêmement précises.

Les sources de rayons X génèrent des flashs ultra-courts à large spectre

Les sources de rayons X modernes telles que le laser à électrons libres XFEL à Hambourg et le PETRA III (Hambourg), et les sources synchrotron ESRF (Grenoble) sont des candidats de choix pour la réalisation de telles études. Les lasers à électrons libres en particulier sont optimisés pour générer des flashs de rayons X très courts, qui sont principalement utilisés pour étudier des processus très rapides dans le monde microscopique des atomes et des molécules. Impulsions lumineuses ultra courtes, cependant, ont à leur tour un large spectre de longueurs d'onde. Par conséquent, seule une petite fraction de la lumière est à la bonne longueur d'onde pour provoquer une résonance dans l'échantillon. Le reste passe directement à travers l'échantillon, rendant la spectroscopie des résonances aiguës plutôt inefficace.

Il est possible de générer un spectre de rayons X très net - c'est-à-dire des rayons X d'une seule longueur d'onde - à l'aide de filtres ; cependant, puisqu'il s'agit de supprimer les longueurs d'onde inutilisées, le signal de résonance résultant est encore faible.

La nouvelle méthode développée par les chercheurs d'Heidelberg permet de multiplier par trois à quatre l'intensité du signal de résonance. En collaboration avec des scientifiques du DESY à Hambourg et de l'ESRF à Grenoble, Kilian Heeg et Jörg Evers de la division Christoph Keitel et une équipe autour de Thomas Pfeifer de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg ont réussi à faire contribuer au signal de résonance une partie des rayons X qui n'interagiraient pas normalement avec l'échantillon. Ils ont testé avec succès leur méthode sur des noyaux de fer aussi bien à l'ESRF de Grenoble qu'au synchrotron PETRA III de DESY à Hambourg.

Une petite secousse amplifie le rayonnement

L'approche des chercheurs pour amplifier les rayons X est basée sur le fait que, lorsque les rayons X interagissent avec les noyaux de fer (ou tout autre noyau) pour produire une résonance, ils sont réémis après un court délai. Ces rayons X réémis sont alors décalés d'exactement une demi-longueur d'onde derrière la partie du rayonnement qui les a traversés directement. Cela signifie que les pics d'une onde coïncident exactement avec les creux de l'autre onde, avec pour résultat qu'ils s'annulent. Cette interférence destructrice atténue les impulsions de rayons X à la longueur d'onde de résonance, qui est aussi l'origine fondamentale de l'absorption de la lumière.

"Nous utilisons la fenêtre temporelle d'environ 100 nanosecondes avant que les noyaux de fer ne réémettent les rayons X, " explique le chef de projet Jörg Evers. Pendant ce laps de temps, les chercheurs déplacent la feuille de fer d'environ 40 milliardièmes de millimètre (0,4 angström). Cette petite secousse a pour effet de produire des interférences constructives entre les ondes lumineuses émises et transmises. "C'est comme si deux rivières, les ondes sur l'une sont décalées d'une demi-longueur d'onde par rapport aux ondes de l'autre, rencontrer, " dit Evers, "et vous déplacez l'une des rivières exactement de cette distance." Cela a pour effet que, après la rencontre des rivières, les vagues sur les deux rivières se déplacent dans le temps les unes avec les autres. Les pics d'onde coïncident avec les pics d'onde et les ondes s'amplifient, plutôt que d'atténuer, l'un l'autre. Cette astuce, cependant, ne fonctionne pas seulement sur la lumière aux longueurs d'onde de résonance, mais a également l'effet inverse (c'est-à-dire l'atténuation) sur une plus large gamme de longueurs d'onde autour de la longueur d'onde de résonance. Kilian Heeg le dit ainsi. « Nous introduisons dans la résonance des rayons X autrement inutilisés. »

Pour permettre aux physiciens de déplacer la feuille de fer assez rapidement et assez précisément, il est monté sur un cristal piézoélectrique. Ce cristal se dilate ou se contracte en réponse à une tension électrique appliquée. À l'aide d'un programme informatique spécialement développé, les chercheurs basés à Heidelberg ont pu ajuster le signal électrique qui contrôle le cristal piézoélectrique pour maximiser l'amplification du signal de résonance.

Applications en mesure de longueur et horloges atomiques

Les chercheurs voient un large éventail d'applications potentielles pour leur nouvelle technique. Selon Thomas Pfeifer, la procédure élargira l'utilité de nouvelles sources de rayons X à haute puissance pour la spectroscopie de rayons X à haute résolution. Cela permettra une modélisation plus précise de ce qui se passe dans les atomes et les molécules. Pfeifer souligne également l'utilité de la technique en métrologie, en particulier pour les mesures de longueurs de haute précision et la définition du temps en mécanique quantique. "Avec les rayons X, il est possible de mesurer des longueurs 10, 000 fois plus précis qu'avec la lumière visible, " explique Pfeifer. Cela peut être utilisé pour étudier et optimiser les nanostructures telles que les puces informatiques et les batteries nouvellement développées. Pfeifer envisage également des horloges atomiques à rayons X qui sont beaucoup plus précises que les horloges atomiques optiques les plus avancées de nos jours basées sur la lumière visible.

Pas des moindres, une meilleure spectroscopie des rayons X pourrait nous permettre de répondre à l'une des grandes questions sans réponse de la physique :si les constantes physiques sont vraiment constantes ou si elles changent lentement avec le temps. Si ces derniers étaient vrais, les lignes de résonance dériveraient lentement avec le temps. Des spectres de rayons X extrêmement nets permettraient de déterminer si c'est le cas sur une période relativement courte.

Evers estime que, une fois mûr, la technique serait relativement facile à intégrer dans les expériences de DESY et de l'ESRF. "Il devrait être possible de fabriquer un appareil de la taille d'une boîte à chaussures qui pourrait être rapidement installé et, selon nos calculs, pourrait permettre une amplification d'environ 10 fois, " il ajoute.