Focalisation d'un faisceau XUV par un jet d'atomes qui sert de lentille. Crédit :MBI Berlin
Des scientifiques du Max Born Institute (MBI) ont développé la première lentille réfractive qui focalise les rayons ultraviolets extrêmes. Au lieu d'utiliser une lentille en verre, qui n'est pas transparent dans la région de l'ultraviolet extrême, les chercheurs ont mis en évidence une lentille formée par un jet d'atomes. Les résultats, qui offrent de nouvelles opportunités pour l'imagerie d'échantillons biologiques sur les échelles de temps les plus courtes, ont été publiés dans La nature .
Un tronc d'arbre en partie immergé dans l'eau semble être courbé. Depuis des centaines d'années, les gens savent que cela est causé par la réfraction, c'est-à-dire que la lumière change de direction lorsqu'elle se déplace d'un milieu (eau) à un autre (air) sous un certain angle. La réfraction est également le principe physique sous-jacent des lentilles qui jouent un rôle indispensable dans la vie quotidienne :elles font partie de l'œil humain, ils servent de verres, lentilles de contact, comme objectifs de caméra et pour contrôler les faisceaux laser.
Suite à la découverte de nouvelles régions du spectre électromagnétique telles que les ultraviolets (UV) et les rayons X, des lentilles réfractives ont été développées spécifiquement adaptées à ces régions spectrales. Le rayonnement électromagnétique dans la région des ultraviolets extrêmes (XUV) est, cependant, un peu spécial. Il occupe la gamme de longueurs d'onde entre les domaines UV et X, mais contrairement aux deux derniers types de rayonnement, il ne peut voyager que dans le vide ou dans des gaz fortement raréfiés. De nos jours, les faisceaux XUV sont largement utilisés en lithographie des semi-conducteurs ainsi qu'en recherche fondamentale pour comprendre et contrôler la structure et la dynamique de la matière. Ils permettent de générer les impulsions lumineuses les plus courtes produites par l'homme avec des durées attosecondes (une attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde). Cependant, malgré le grand nombre de sources et d'applications XUV, aucun verre XUV n'a existé jusqu'à présent. La raison en est que le rayonnement XUV est fortement absorbé par tout matériau solide ou liquide et ne peut tout simplement pas traverser les lentilles conventionnelles.
Arc-en-ciel invisible généré par un jet d'atomes d'hélium. La lumière avec des « couleurs » proches des résonances de l'hélium est soit déviée vers le haut, soit vers le bas. Crédit :MBI Berlin
Afin de focaliser les faisceaux XUV, une équipe de chercheurs du MBI a adopté une approche différente :ils ont remplacé une lentille de verre par celle formée par un jet d'atomes d'un gaz rare, hélium. Cette lentille bénéficie de la transmission élevée de l'hélium dans la gamme spectrale XUV et peut en même temps être contrôlée avec précision en modifiant la densité du gaz dans le jet. Ceci est important afin de régler la distance focale et de minimiser la taille des spots des faisceaux XUV focalisés.
Par rapport aux miroirs incurvés qui sont souvent utilisés pour focaliser le rayonnement XUV, ces lentilles réfractives gazeuses présentent un certain nombre d'avantages :une « nouvelle » lentille est constamment générée par le flux d'atomes dans le jet, ce qui signifie que les problèmes de dommages sont évités. Par ailleurs, une lentille à gaz n'entraîne pratiquement aucune perte de rayonnement XUV par rapport à un miroir typique. "C'est une amélioration majeure, car la génération de faisceaux XUV est complexe et souvent très coûteuse, " Dr Bernd Schuette, Scientifique MBI et auteur correspondant de la publication, explique.
Dans le travail, les chercheurs ont en outre démontré qu'un jet atomique peut agir comme un prisme brisant le rayonnement XUV en ses composantes spectrales constitutives. Cela peut être comparé à l'observation d'un arc-en-ciel, résultant de la rupture de la lumière du Soleil en ses couleurs spectrales par les gouttelettes d'eau, sauf que les « couleurs » de la lumière XUV ne sont pas visibles à l'œil humain.
Le développement des lentilles et prismes en phase gazeuse dans le domaine XUV permet de transférer des techniques optiques basées sur la réfraction et largement utilisées dans la partie visible et infrarouge du spectre électromagnétique, au domaine XUV. Les lentilles à gaz pourraient par ex. être exploité pour développer un microscope XUV ou pour focaliser des faisceaux XUV à des tailles de spots nanométriques. Cela peut être appliqué à l'avenir, par exemple, d'observer les changements structurels des biomolécules sur les échelles de temps les plus courtes.
