Des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie ont découvert un moyen de tripler la quantité d'énergie générée par le laser à rayons X le plus puissant au monde. La nouvelle technique, développé à la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, permettra aux chercheurs d'observer la structure atomique de molécules et des processus chimiques ultrarapides qui étaient auparavant indétectables à l'échelle atomique.

Les résultats, publié dans une étude du 3 janvier dans Lettres d'examen physique ( PRL ), aidera à résoudre les mystères de longue date sur la photosynthèse et d'autres processus chimiques fondamentaux en biologie, médecine et science des matériaux, selon les chercheurs.

"LCLS produit les impulsions de rayons X les plus puissantes au monde, que les scientifiques utilisent pour créer des films d'atomes et de molécules en action, " a déclaré Marc Guetg, chercheur associé au SLAC et auteur principal de l'étude PRL. "Notre nouvelle technique triple la puissance de ces impulsions courtes, permettant un contraste plus élevé."

Ondulations magnétiques

Les impulsions de rayons X au LCLS sont générées en alimentant des faisceaux d'électrons de haute énergie à travers un long réseau d'aimants. Les électrons, qui voyagent près de la vitesse de la lumière, se tortiller d'avant en arrière en passant le long des aimants. Ce mouvement ondulatoire amène les électrons à émettre de puissantes impulsions de rayons X qui peuvent être utilisées pour l'imagerie à l'échelle nanométrique.

"Quand vous imagez une structure atomique, vous avez une course en cours, " a déclaré le co-auteur de l'étude Uwe Bergmann, un scientifique distingué du SLAC. "Vous avez besoin d'une impulsion de rayons X suffisamment forte pour obtenir une bonne image, mais cette impulsion détruira la structure même que vous essayez de mesurer. Cependant, si le pouls est assez court, environ 10 femtosecondes, vous pouvez dépasser les dégâts. Vous pouvez prendre l'instantané avant que le patient ne ressente la douleur."

Une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde. La génération d'impulsions de rayons X de haute puissance qui ne durent que 10 femtosecondes a été un défi majeur.

"L'astuce est d'avoir les électrons emballés aussi étroitement que possible lorsqu'ils commencent à se tortiller, " expliqua Guetg. " C'est difficile à faire, parce que les électrons ne s'aiment pas. Ils sont tous chargés négativement, alors ils se repoussent. C'est une bataille. Nous essayons constamment de les forcer à s'unir, et ils essaient constamment de se séparer."

Pour gagner la bataille, Guetg et ses collègues du SLAC ont utilisé une combinaison spéciale d'aimants conçus pour rapprocher les électrons avant qu'ils ne commencent à émettre des rayons X.

"Un problème lorsque vous compressez des électrons, c'est qu'ils commencent à se donner des coups de pied, " dit Guetg. " En conséquence, le faisceau d'électrons s'incline, ce qui altère la production de lumière et donc la puissance des impulsions de rayons X."

Dans des études antérieures, Guetg avait émis l'hypothèse que la correction de l'inclinaison compresserait les électrons et produirait des des rafales de rayons X plus puissantes.

"Le faisceau d'électrons a la forme d'une banane, " a déclaré le co-auteur Zhirong Huang, professeur agrégé au SLAC et à l'Université de Stanford. "Nous avons corrigé la courbure de la banane pour en faire une ligne droite, poutre en forme de crayon."

Résultats spectaculaires

Les résultats ont été dramatiques. Le redressement du faisceau a augmenté la puissance des impulsions de rayons X de 300 %, et chaque impulsion ne durait que 10 femtosecondes.

« D'une manière ingénieuse, Marc et ses collègues ont réussi à comprimer ces électrons comme une crêpe avant qu'ils ne se séparent, " a déclaré Bergmann. " Cela leur a permis de créer des impulsions de rayons X très courtes qui sont d'environ 1, 000 fois plus puissant que si vous concentriez toute la lumière du soleil qui frappe la Terre sur un centimètre carré. C'est un pouvoir incroyable."

Bergmann a déjà utilisé la nouvelle technique pour créer des images à l'échelle nanométrique de métaux de transition tels que le manganèse, qui est essentiel pour diviser l'eau pour former des molécules d'oxygène (O2) lors de la photosynthèse.

"En repoussant les frontières de la science du laser, nous pouvons désormais en voir plus et, espérons-le, en apprendre davantage sur les réactions chimiques et les processus moléculaires, " il a dit.

L'équipe du SLAC espère s'appuyer sur leurs résultats dans de futures expériences.

« Nous voulons rendre la nouvelle technique opérationnelle et robuste pour que tout le monde puisse l'utiliser, " Huang a déclaré. "Nous voulons également continuer à améliorer la puissance avec cette technique et d'autres. Je n'appellerais pas cela la limite finale."