Génération et caractérisation des harmoniques de la fenêtre d'eau. Impulsions de 1,8 mm de longueur d'onde, durée de 12 fs, et une énergie de 550 mJ sont concentrées dans une aiguille de diamètre extérieur de 820 mm remplie de pressions de gaz à plusieurs atmosphères, avec une taille de spot de 40 mm FWHM (A) et une bonne qualité spatio-temporelle (B). Le pompage différentiel maintient la pression de la chambre en dessous de 10−2 mbar. Les harmoniques passent par des optiques de diagnostic optionnelles :un miroir annulaire à 45° (C) pour réfléchir les impulsions IR à analyser ou une fente mobile (D) pour sélectionner une tranche des harmoniques pour la mesure de phase spatiale. Les harmoniques passent ensuite à travers des filtres métalliques et une fente de spectromètre avant d'être détectés avec un réseau à champ plat et une caméra à rayons X à couplage de charge (CCD) à comptage de photons. VLS, interligne variable. Crédit: Avancées scientifiques (2018). advances.sciencemag.org/content/4/5/eaar3761
L'étude des actions fugaces des électrons dans les matériaux organiques sera désormais beaucoup plus facile, grâce à une nouvelle méthode de génération de rayons X rapides.
La technique signifie que des mesures avancées de réactions rapides seront désormais possibles dans les laboratoires de physique du monde entier, sans avoir à attendre pour utiliser des équipements coûteux et rares. Il pourrait être utilisé, par exemple, étudier et améliorer les technologies de collecte de lumière comme les panneaux solaires et les séparateurs d'eau.
Lorsque les rayons X « mous », au-delà de la gamme de la lumière ultraviolette, heurter un objet, ils sont fortement absorbés par certains types d'atomes et pas par d'autres. En particulier, l'eau est transparente à ces rayons X, mais le carbone les absorbe, ce qui les rend utiles pour l'imagerie de matériaux organiques et biologiques.
Cependant, un défi a été de générer des rayons X mous très rapides. Créer des impulsions de rayons X qui ne durent qu'un millième de millionième de millionième de seconde permettrait aux chercheurs d'imager les mouvements extrêmement rapides des électrons, crucial pour déterminer comment les charges se déplacent et les réactions se produisent.
Des rayons X mous rapides ont été créés avec de grandes installations, tels que les lasers à électrons libres coûtant plusieurs milliards de dollars, mais maintenant, une équipe de recherche de l'Imperial College de Londres a généré des impulsions de rayons X mous rapides et puissantes à l'aide de lasers de laboratoire standard. La méthode, qui peut produire des impulsions lumineuses de rayons X doux qui durent des centaines d'attosecondes (quintillionièmes de seconde), est publié aujourd'hui dans Avancées scientifiques .
Avec la nouvelle technique, les chercheurs pourront observer le mouvement des électrons à leur échelle de temps naturelle, en leur donnant une image dynamique des étapes de réaction les plus petites et les plus rapides.
Auteur principal, le professeur Jon Marangos, du Département de physique de l'Impériale, a déclaré :« La force de cette technique est qu'elle peut être utilisée par de nombreux laboratoires de physique à travers le monde avec des lasers qu'ils ont déjà installés.
"Cette découverte va nous permettre pour la première fois de faire des mesures à des échelles de temps extrêmes. Nous sommes aux frontières de ce que nous pouvons mesurer, voir des processus plus rapides que jamais importants pour la science et la technologie."
La génération de rayons X dans un laboratoire nécessite des atomes excitants jusqu'à ce qu'ils libèrent des photons, des particules de lumière. Normalement, atomes dans un long, les nuages dispersés sont excités en séquence de sorte qu'ils émettent des photons en "phase", ce qui signifie qu'ils s'additionnent et créent une impulsion de rayons X plus forte. C'est ce qu'on appelle l'accord de phase.
Mais lorsque vous essayez de générer des rayons X mous de cette façon, effets dans le nuage d'atomes défocalisent fortement le laser, perturber l'accord de phase.
Au lieu, l'équipe a découvert qu'ils avaient besoin d'un mince, nuage dense d'atomes et de courtes impulsions laser. Avec cette configuration, alors que les photons ne pouvaient pas rester en phase sur une longue distance, ils étaient encore en phase sur une distance plus courte et pour une courte durée. Cela a conduit à une production étonnamment efficace des courtes impulsions de rayons X mous.
L'équipe a en outre mesuré et simulé les effets exacts qui provoquent une génération d'harmoniques élevées dans cette situation, et à partir de cela, nous avons pu prédire les conditions laser optimales pour créer une gamme de rayons X.
Chercheur principal Allan Johnson, du Département de physique de l'Impériale, a déclaré:"Nous avons réussi à regarder à l'intérieur de ce qui était avant la boîte relativement noire de la génération de rayons X mous, et utilisez ces informations pour construire un laser à rayons X sur une table qui peut rivaliser avec les installations couvrant un terrain de football. La connaissance est littéralement le pouvoir dans ce jeu."
L'équipe de l'Impériale prévoit d'utiliser la technique pour étudier les matériaux polymères organiques, en particulier ceux qui captent les rayons du soleil pour produire de l'énergie ou pour séparer l'eau. Ces matériaux font l'objet d'études approfondies car ils peuvent fournir une énergie renouvelable moins chère.
Cependant, de nombreux matériaux actuellement utilisés sont instables ou inefficaces, en raison de l'action des électrons qui sont excités par la lumière. Une étude plus approfondie des interactions rapides de ces électrons pourrait fournir des informations précieuses sur les méthodes d'amélioration des cellules solaires et des catalyseurs.
