Les spectromètres à plaque zonale de Fresnel offrent des moyens nouveaux et plus efficaces de mener des expériences utilisant des rayons X mous. Dans une étude publiée dans la revue Optics Express, les scientifiques ont présenté la conception d'une plaque de zone de réflexion qui simplifie les mesures extrêmement compliquées sur des systèmes chimiquement et biologiquement pertinents qui ont été jusqu'à présent difficiles à effectuer. Une seconde étude, publié dans la revue Rapports scientifiques , présente un spectromètre qui utilise une plaque de zone de transmission, qui peut être utilisé pour effectuer des investigations complexes de tels systèmes en un petit nombre d'étapes. Ces études ont été réalisées par des scientifiques travaillant à DESY, le Centre Helmholtz pour les matériaux et l'énergie à Berlin, l'Institut Paul Scherrer en Suisse et le Campus de Göttingen (Université de Göttingen et Institut Max Planck de chimie biophysique).

L'étude de la structure électronique des matériaux peut être utile dans divers domaines scientifiques. "Nous pouvons utiliser la structure des électrons ou la configuration électronique d'un système pour déduire des choses telles que l'état de liaison des éléments chimiques individuels, même dans des matériaux désordonnés, " dit Zhong Yin de DESY, qui a joué un rôle central dans les deux études. Une méthode d'examen de cette structure est connue sous le nom de diffusion inélastique résonante des rayons X (ou "RIXS"), une méthode multidimensionnelle de spectroscopie des rayons X. Dans cette méthode, les électrons d'un échantillon sont excités au moyen de rayons X, puis émettent eux-mêmes des rayons X de haute énergie. Chaque élément chimique produit un schéma caractéristique d'excitations et d'émissions de rayons X, avec des niveaux d'énergie spécifiques au fil du temps. Ce motif peut être lu en faisant varier l'énergie d'excitation des rayons X puis en utilisant des systèmes optiques pour guider les photons de rayons X qui sont émis vers un détecteur et les séparer par longueur d'onde.

Un problème avec cette procédure est que les éléments particulièrement légers, qui jouent un rôle important en biologie, n'émettent que très peu de rayonnement lorsqu'ils sont excités. "Dans les réactions chimiques et biochimiques complexes se produisant à l'intérieur des liquides, les méthodes RIXS conventionnelles peuvent fournir des informations importantes et détaillées sur les structures électroniques existantes, grâce à leur résolution spectrale. Cependant, les échantillons doivent être présents en grande quantité, et cela signifie que la réalisation de mesures RIXS sur des systèmes biologiquement pertinents peut être très coûteuse et compliquée, " explique Simone Techert, scientifique de premier plan de DESY, qui est professeur à l'Université de Göttingen et qui était responsable de la mise en œuvre des plaques de zone, l'environnement chimique et l'analyse. « Les nouveaux spectromètres à plaques zonales de réflexion et de transmission peuvent être combinés avec des jets de liquide, ou d'autres environnements d'échantillons rapidement échangeables, pour permettre des examens RIXS considérablement plus efficaces d'échantillons à faible concentration dans la gamme des rayons X mous, qui peut être utilisé pour étudier des échantillons constitués de carbone et d'azote."

En tant qu'outil optique, Les plaques à zones de réflexion sont polyvalentes :elles peuvent réfléchir la lumière optique ou les rayons X tout en la focalisant. Lorsqu'il est convenablement éclairé, ils peuvent simultanément séparer les longueurs d'onde individuelles dans l'espace, afin que ceux-ci puissent être mesurés à différents endroits sur un détecteur. "Les plaques de zone de réflexion sont en quelque sorte la prochaine étape logique de l'optique à rayons X, " dit Jens Rehanek de l'Institut Paul Scherrer. Avec Zhong Yin, il a conçu les expériences pour ces nouvelles applications de plaques zonées. "Ils ressemblent beaucoup aux spectromètres à rayons X conventionnels en termes de fonctionnement, mais ils peuvent focaliser la lumière non seulement sur une ligne, mais sur un seul point. » Comme les plaques de zone sont en plus placées plus près de l'échantillon, les signaux faibles peuvent être mesurés beaucoup plus efficacement. Les scientifiques ont utilisé une astuce pour contourner l'un des inconvénients des plaques zonées :la plage d'énergies plus étroite qu'elles peuvent être utilisées pour mesurer. Ils ont placé la plaque zonée légèrement plus loin de l'échantillon que d'habitude, leur permettant de mesurer une plus large gamme d'énergies avec une résolution similaire à celle des spectromètres conventionnels. "Le spectromètre que nous avons construit à l'aide de la plaque de zone de réflexion offre une efficacité élevée et une bonne résolution avec une bande passante élevée et peut être utilisé pour de petits échantillons, " souligne Rehanek. La théorie et la technologie des plaques de zone de réflexion ont été développées à l'Institut d'optique et de technologie nanométriques du Centre Helmholtz de Berlin pour les matériaux et l'énergie (HZB) depuis 2008 par une équipe dirigée par Alexei Erko, et sont utilisés dans divers domaines pour les expériences synchrotron et FEL ainsi que les applications de laboratoire de rayons X.

Dans une seconde étude, les scientifiques ont développé un spectromètre basé sur un système optique similaire qui peut également être utilisé pour examiner des réactions chimiques et biochimiques complexes. Les plaques zonées de Fresnel peuvent être utilisées non seulement pour réfléchir les rayons X; comme plaques de zone de transmission, ils focalisent également les rayons X émis et les séparent en différentes longueurs d'onde. Les plaques de zone de transmission fabriquées à l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse sont constituées d'une fine membrane transparente aux rayons X, et ils fonctionnent un peu comme des lentilles de lumière visible. Le groupe de recherche a utilisé ces plaques zonées pour démontrer que leurs propriétés spéciales peuvent être utilisées pour mesurer les spectres de rayonnement de manière particulièrement efficace.

Ici aussi, les scientifiques ont utilisé le fait que la plaque zonée est capable de focaliser la lumière dans deux directions, permettant de réaliser des méthodes d'imagerie par rayons X à partir d'informations spectrales et d'enregistrer une seule, spectre de rayons X multidimensionnel, une "carte RIXS", simultanément pour plusieurs énergies incidentes différentes. Cela signifie que les plaques de zone de transmission peuvent être utilisées pour étudier très rapidement les différences spatiales dans un spectre émis, et même créer une image de la surface de l'échantillon. "En principe, ceci est également possible en utilisant un spectromètre RIXS conventionnel, " dit Christian David, le directeur de l'Institut de nanooptique du PSI qui était chargé de la conception et de la fabrication de la plaque zonée, "mais grâce aux propriétés d'imagerie spéciales des plaques de zone de transmission, nous avons pu effectuer ces mesures en parallèle (plutôt que point par point), ce qui accélère la procédure d'un facteur cent."

Ces deux nouveaux développements offrent une alternative aux spectromètres à rayons X existants. Les expériences examinant le déroulement des réactions chimiques et biochimiques au fil du temps peuvent particulièrement bénéficier de leur grande efficacité. "Comme les spectromètres n'utilisent qu'un seul système optique, ils sont très compacts et donc très flexibles dans leur utilisation, " dit Felix Marschall du PSI, le premier auteur de l'étude en Rapports scientifiques . Cependant, les nouvelles méthodes sont encore aux premiers stades de développement et le potentiel offert par les plaques zonales n'est pas encore pleinement exploité :« Nous travaillons déjà sur d'autres études, ce qui améliorera encore la configuration et testera des utilisations supplémentaires pour les plaques de zone, " dit Jens Viefhaus de DESY, qui a supervisé les mesures d'essai à l'aide des nouveaux spectromètres de la source de rayons X PETRA III de DESY.