Illustration symbolique de l'interaction de deux feuilles minces de noyaux de Mössbauer avec un faisceau de rayons X qui subit de multiples réflexions dans un système de deux cavités couplées. Le fort couplage radiatif des noyaux dans les cavités conduit à un échange périodique d'énergie d'excitation entre les deux ensembles nucléaires, les oscillations dites de Rabi. Crédit :DESY, Ralf Röhlsberger/Boris Kumicak
Les rayons X interagissent faiblement avec la matière. C'est leur plus grande force pour de nombreuses applications, mais aussi une faiblesse fondamentale pour les autres. En particulier les domaines de l'optique non linéaire et de l'optique quantique, piliers pour la science fondamentale et les applications technologiques avec la lumière, nécessitent une interaction forte. Ainsi, des efforts dans diverses directions sont entrepris pour intensifier l'interaction lumière-matière dans le régime des rayons X. L'une des voies vers cet objectif utilise l'utilisation de processus dits résonants. L'absorption des rayons X aux résonances atomiques (à des longueurs d'onde qui correspondent exactement à l'énergie requise pour pousser l'atome dans un état excité) peut être d'ordres de grandeur supérieur à la résonance hors résonance. Une nouvelle étude dirigée par Ralf Röhlsberger, scientifique de DESY, montre maintenant une nouvelle façon d'améliorer et de contrôler l'interaction des rayons X avec les systèmes atomiques résonnants.
Le niveau ultime de l'interaction lumière-matière à cet égard serait la formation d'un état composé de lumière et de matière. Dans ce cas, l'énergie d'excitation est périodiquement émise et réabsorbée plusieurs fois dans l'échantillon. "Ces '"Rabi-oscillations'" se manifestent par un schéma temporel caractéristique de la lumière émise par la fuite du système, " explique Röhlsberger. Dans le domaine des rayons X, les résonances les plus fortes de toute la matière se trouvent dans les noyaux des isotopes dits Mössbauer (du nom de Rudolf Mössbauer, Prix Nobel de Physique 1961) . Ils offrent l'avantage supplémentaire que leur durée de vie peut être de plusieurs dizaines de nanosecondes (une nanoseconde est un milliardième de seconde) afin que leur dynamique temporelle puisse être observée de manière pratique. Des chercheurs de DESY à Hambourg, l'Institut Max-Planck de physique nucléaire à Heidelberg, et l'installation européenne de rayonnement synchrotron de Grenoble ont observé pour la première fois des oscillations de Rabi dans le régime des rayons X, en utilisant une certaine forme de fer élémentaire (l'isotope Mössbauer 57Fe).
"Normalement, Des oscillations de Rabi sont observées dans les cavités optiques, " dit le premier auteur Johann Haber de DESY. Ce sont essentiellement deux miroirs entre lesquels la lumière rebondit. Si un atome est placé entre eux, l'atome peut absorber et réémettre ce rayonnement - puisque les miroirs le renvoient vers eux, ce processus peut se répéter pendant un certain temps, conduisant à des oscillations de Rabi. "Toutefois, ce n'est pas une option pour la physique des rayons X, comme il n'y a pas de miroirs pour les rayons X comme il y en a pour la lumière visible, " explique Haber. " S'il est possible de fabriquer des cavités à rayons X et d'observer avec elles un certain nombre de phénomènes d'optique quantique, la limite de couplage fort est clairement hors de portée dans de tels systèmes. La raison en est simplement que la durée de vie de résonance de la cavité nue est si courte, (de l'ordre des femtosecondes,; c'est-à-dire des quadrillions de seconde, ) qu'un photon émis dans la cavité quitte plutôt la cavité au lieu d'interagir à nouveau avec les noyaux."
Mesure de l'évolution temporelle de l'intensité réfléchie par les deux cavités couplées. Le signal présente une modulation sinusoïdale, mettant en évidence l'échange périodique d'énergie d'excitation entre les deux ensembles nucléaires. C'est la signature typique des oscillations de Rabi. Il peut être décrit assez précisément dans le modèle optique quantique (QO) développé pour ce système. Crédit :DESY
D'où, une approche différente était nécessaire. L'astuce était la préparation de deux cavités couplées, dont chacun contenait une fine couche de noyaux de 57Fe. "Cela change radicalement la donne, " dit Röhlsberger. " Si l'une des couches émet un photon, ce photon s'échappe presque instantanément de la cavité. Mais il est aussi probable que de ne pas se déplacer dans la cavité adjacente, où il serait absorbé par la deuxième couche de noyaux 57Fe. A l'émission, ce processus se répète. Dans un sens, le photon n'est plus échangé entre le mode cavité et un atome, mais entre deux ensembles d'atomes."
Cette astuce ouvre de nouvelles perspectives pour observer des effets optiques non linéaires dans le régime des rayons X. "Une piste de recherche intéressante serait d'examiner si des non-linéarités se produisent lorsque plus d'un photon entre dans le système, " déclare Adriana Palffy, co-auteur de l'Institut Max Planck de physique nucléaire. " Cela a été observé avec le rayonnement optique, et pourrait être répété dans la gamme des rayons X, par exemple au nouveau XFEL européen, le laser à rayons X à électrons libres à Hambourg. ces cavités couplées pourraient être utilisées pour générer des états de rayons X non classiques qui pourraient faciliter la réalisation de techniques de rayons X entièrement nouvelles, comme l'imagerie ou la spectroscopie avec des états photoniques dits intriqués.
