Deux méthodes inventées indépendamment par des scientifiques de la Direction des accélérateurs du SLAC ont produit les premières impulsions laser à rayons X durs attosecondes au monde dans l'installation LCLS du laboratoire. Dans une méthode, les formes des paquets d'électrons utilisés pour générer des rayons X ont été manipulées avec un champ radiofréquence de sorte qu'une partie de chaque paquet (zone dense à gauche) émette des impulsions de rayons X avec des durées d'impulsion plus courtes que jamais. Crédit :Yuantao Ding/SLAC National Accelerator Laboratory
Les experts en accélérateurs du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie développent des moyens d'améliorer plus que jamais le laser à rayons X le plus puissant. Ils ont créé les impulsions de rayons X les plus courtes au monde pour capturer les mouvements des électrons, ainsi que des trains ultra-rapides d'impulsions de rayons X pour "filmer" le mouvement atomique, et ont développé des programmes informatiques "intelligents" qui maximisent le temps d'expérimentation précieux.
Avec ses rayons X un milliard de fois plus lumineux que ceux disponibles auparavant, La source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC a déjà révolutionné le domaine de la science ultrarapide et a ouvert de nouvelles voies pour la recherche en chimie, biologie et science des matériaux. Les nouveaux développements améliorent encore les capacités du laser à rayons X.
"La création de nouvelles capacités pour LCLS est un effort continu très important au SLAC, " a déclaré Axel Brachmann, chef de la division Linac et FEL de la direction des accélérateurs du laboratoire, lors de la réunion des utilisateurs SSRL/LCLS 2017 en septembre, où certains de ces développements ont été présentés. "Nos ingénieurs et scientifiques travaillent dur pour repousser les limites de ce qui est technologiquement possible et pour s'assurer que le SLAC reste un leader mondial dans la science des rayons X."
La puissance de découverte de LCLS est contenue dans des flashs de rayons X extrêmement brillants, chacune ne dure que quelques femtosecondes – des millionièmes de milliardième de seconde. Comme une lumière stroboscopique qui fige les mouvements trop vite pour être vus à l'œil nu, ces flashs capturent des images de noyaux atomiques qui bougent rapidement dans les molécules et les matériaux. Mais les chercheurs aimeraient aller plus loin et filmer les mouvements encore plus rapides des électrons d'un atome.
"Ces mouvements ultrarapides sont très fondamentaux car ils préparent le terrain pour tous les processus plus lents, ", explique le scientifique Yuantao Ding. "Cependant, ils se produisent en moins d'une femtoseconde, et nous avons besoin d'une "caméra" plus rapide pour les capturer."
Deux équipes SLAC, dirigé par Ding et son collègue physicien des accélérateurs Agostino Marinelli, ont maintenant fait un pas important dans cette direction. Ils ont démontré deux méthodes indépendantes pour la génération d'impulsions de rayons X de quelques centaines d'attosecondes, ou des milliardièmes de milliardième de seconde, établissant un record pour les lasers à rayons X.
Les deux groupes ont manipulé les paquets d'électrons serrés qui volent à travers un ensemble spécial d'aimants, appelé un onduleur, pour générer des impulsions de rayons X LCLS. Ils ont modifié les paquets afin que seule une partie de chaque paquet émette de la lumière laser à rayons X, ce qui a entraîné une durée d'impulsion beaucoup plus courte.
"C'est un grand pas en avant, et utilise en fait des méthodes relativement simples pour générer des impulsions attosecondes de rayons X avec une énergie relativement élevée, " dit Marinelli. " Pour aller encore plus loin, Les utilisateurs du LCLS souhaitent utiliser des rayons X plus doux pour leur permettre d'étudier les électrons externes d'un atome, qui sont ceux impliqués dans les réactions chimiques. Il s'avère que la création d'impulsions attosecondes de rayons X mous est un processus beaucoup plus complexe."
Cette illustration montre comment trois impulsions de rayons X avec des énergies différentes, ou couleurs, sont générés avec la technique des tranches fraîches à partir d'un seul paquet d'électrons traversant trois sections distinctes d'un aimant spécial, appelé onduleur. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
C'est pourquoi Marinelli et d'autres travaillent sur une troisième méthode, appelées impulsions attosecondes améliorées par laser à rayons X (XLEAP). Dans cette approche, les paquets d'électrons interagissent avec un laser infrarouge à l'intérieur de l'onduleur et sont découpés en fines tranches. Les simulations suggèrent que cette méthode, qui est actuellement en test au LCLS, peut produire des impulsions de rayons X mous qui ne durent que 500 attosecondes.
De nouvelles façons de filmer des atomes avec plusieurs flashs à rayons X
Pour faire des films de processus ultrarapides au LCLS, les chercheurs utilisent la technique pompe-sonde, dans lequel ils frappent un échantillon avec une impulsion "pompe" d'un laser conventionnel pour déclencher une réponse atomique, puis examinent la réponse avec une impulsion "sonde" du laser à rayons X. En variant le temps entre les deux impulsions, ils peuvent créer un film d'arrêt qui montre comment la structure atomique de l'échantillon change au fil du temps.
Cela fonctionne bien tant que le processus, comme la rupture d'une liaison chimique dans une molécule, peut être initié avec un laser classique émettant dans le visible, lumière infrarouge ou ultraviolette. Cependant, certaines réactions ne peuvent être déclenchées que par les énergies plus élevées des impulsions lumineuses des rayons X.
En principe, ces expériences pourraient être faites au LCLS maintenant, mais le temps entre les impulsions limiterait les études aux processus plus lents que 8 millisecondes. Même avec la future mise à niveau LCLS-II, qui « déclenchera » jusqu'à un million d'impulsions par seconde, cette limite serait encore une microseconde. Par conséquent, les physiciens des accélérateurs inventent des méthodes qui génèrent des trains ultra-rapides d'éclairs de rayons X pour l'exploration de processus beaucoup plus rapides.
"Le SLAC teste et met en œuvre un certain nombre de techniques multi-impulsions pour des expériences de pompe à rayons X avec des rayons X mous et durs, tels que l'onduleur divisé, groupe jumeau, schémas à tranches fraîches et à deux seaux, ", explique Alberto Lutman, scientifique. "Ensemble, ils couvrent une large gamme de retards d'impulsions très courts - de zéro ce qui signifie que les impulsions de rayons X de la pompe et de la sonde frappent l'échantillon en même temps, à des retards de quelques femtosecondes, puis jusqu'à plus de 100 nanosecondes entre les impulsions."
Lutman est le fer de lance du développement de la technique de la tranche fraîche, dans laquelle la tête, la queue et le centre d'un seul paquet d'électrons peuvent produire des impulsions de rayons X distinctes dans des sections distinctes de l'onduleur. "C'est une méthode extrêmement flexible, " dit-il. " Il nous permet de faire varier finement le délai entre les impulsions, et cela nous permet également de modifier la couleur et la polarisation de chaque impulsion de rayons X individuellement. »
Des expériences avec des impulsions de plusieurs couleurs, ou les énergies des rayons X, pouvez, par exemple, améliorer les détails dans les études des structures atomiques 3D et des fonctions des molécules, telles que les protéines médicalement importantes. La méthode des tranches fraîches a également le potentiel d'augmenter la puissance d'impulsions de rayons X extrêmement courtes, et il a été utilisé dans des techniques d'ensemencement qui améliorent les performances du laser à rayons X en rendant sa lumière moins bruyante.
Les programmes informatiques intelligents améliorent l'efficacité des opérations et des optimisations des lasers à rayons X, permettant une augmentation du temps d'expérimentation et conduisant potentiellement à de nouveaux types d'expériences. Crédit :Terry Anderson/SLAC National Accelerator Laboratory
La plupart des méthodes multi-impulsions ont été démontrées pour des séquences rapides de deux ou trois flashs de rayons X, mais l'utilisation d'encore plus d'impulsions est à l'horizon. Une équipe dirigée par le physicien des accélérateurs Franz-Josef Decker travaille actuellement sur une technique qui utilise plusieurs impulsions laser pour la génération de trains de jusqu'à huit impulsions de rayons X. Cela permettrait aux chercheurs de suivre l'évolution complexe de la réponse d'un matériau aux chocs à haute pression, par exemple dans l'étude des collisions de météorites.
Contrôle « intelligent » d'une machine de découverte complexe
À la base de toutes les recherches ci-dessus, il faut trouver de nouvelles façons d'exécuter le LCLS de la manière la plus efficace afin que davantage d'expériences puissent être adaptées. L'installation est l'un des cinq lasers à rayons X durs fonctionnant dans le monde, et l'accès à celui-ci est extrêmement compétitif. Un moyen d'augmenter le temps d'expérimentation consiste à minimiser le temps passé à régler la machine pour répondre aux besoins d'expériences spécifiques.
"Chaque année, nous passons de nombreuses heures à optimiser la machine, ce qui implique des réglages fastidieux d'un grand nombre d'aimants LCLS, ", explique Daniel Ratner, scientifique du SLAC. "Nous voulons automatiser cette procédure pour libérer du temps pour les activités qui nécessitent réellement une implication humaine."
Jusqu'à il y a environ un an, il dit, tous les réglages fins ont été effectués manuellement. Maintenant, c'est fait à l'aide d'ordinateurs, ce qui a déjà réduit de moitié le temps d'optimisation. Mais les experts en accélérateurs du laboratoire veulent faire passer l'automatisation au niveau supérieur en utilisant un type d'intelligence artificielle appelé « apprentissage automatique » – une approche où les programmes informatiques « intelligents » apprennent des optimisations passées des lasers à rayons X au lieu de répéter la même routine chaque temps.
« Cela entraînera un gain de temps supplémentaire important, " dit le physicien des accélérateurs Joseph Duris, qui dirige l'initiative d'apprentissage automatique de la direction des accélérateurs du SLAC. "Des algorithmes d'optimisation plus intelligents nous aideront également à explorer de toutes nouvelles configurations LCLS pour préparer les futures expériences."
Enfin et surtout, l'apprentissage automatique aidera le laboratoire à faire fonctionner efficacement deux lasers à rayons X complexes côte à côte lorsque la mise à niveau du LCLS-II sera terminée.
