Les chercheurs du SLAC suggèrent d'utiliser le caractère aléatoire des impulsions de rayons X ultérieures d'un laser à rayons X pour étudier les interactions des impulsions avec la matière, une méthode qu'ils appellent imagerie fantôme pompe-sonde. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Les lasers à électrons libres à rayons X (XFEL) produisent des faisceaux de lumière incroyablement puissants qui permettent des études sans précédent des mouvements ultrarapides des atomes dans la matière. Pour interpréter les données prises avec ces sources lumineuses extraordinaires, les chercheurs ont besoin d'une solide compréhension de la façon dont les impulsions de rayons X interagissent avec la matière et comment ces interactions affectent les mesures.
Maintenant, des simulations informatiques réalisées par des scientifiques du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie suggèrent qu'une nouvelle méthode pourrait transformer les fluctuations aléatoires de l'intensité des impulsions laser d'une nuisance en un avantage, faciliter les études de ces interactions fondamentales. Le secret est d'appliquer une méthode connue sous le nom d'"imagerie fantôme, " qui reconstitue à quoi ressemblent les objets sans jamais enregistrer directement leurs images.
"Au lieu d'essayer de rendre les impulsions XFEL moins aléatoires, qui est la démarche que nous suivons le plus souvent pour nos expérimentations, nous voulons en fait utiliser le hasard dans ce cas, " a déclaré James Cryan du Stanford PULSE Institute, un institut conjoint de l'Université de Stanford et du SLAC. "Nos résultats montrent qu'en agissant ainsi, nous pouvons contourner certains des défis techniques associés à la méthode actuelle d'étude des interactions des rayons X avec la matière."
L'équipe de recherche a publié ses résultats dans Examen physique X .
Tirer parti des pics de rayons X
Les scientifiques examinent généralement ces interactions à travers des expériences pompe-sonde, dans lequel ils envoient des paires d'impulsions de rayons X à travers un échantillon. La première impulsion, appelé impulsion de pompe, réorganise la façon dont les électrons sont distribués dans l'échantillon. La deuxième impulsion, appelé l'impulsion de sonde, étudie les effets de ces réarrangements sur les mouvements des électrons et des noyaux atomiques de l'échantillon. En répétant l'expérience avec des délais variables entre les impulsions, les chercheurs peuvent faire un film en stop-motion des minuscules, mouvements rapides.
Profil simulé d'une impulsion de rayons X d'un laser à rayons X à électrons libres. Il se compose d'un train de pointes étroites dont l'intensité (puissance) fluctue de manière aléatoire. Les chercheurs du SLAC suggèrent d'utiliser des paires de ces pointes pour des expériences pompe-sonde qui déclenchent et mesurent les changements structurels dans un échantillon, transformer une ancienne nuisance en un avantage. Cet exemple met en évidence trois paires de pointes avec des délais différents entre elles. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
L'un des défis est que les lasers à rayons X génèrent des impulsions lumineuses dans un processus aléatoire, de sorte que chaque impulsion est en fait un train de pointes de rayons X étroites dont les intensités varient de manière aléatoire entre les impulsions.
"Les expériences pompe-sonde nécessitent donc généralement que nous préparions d'abord des des impulsions courtes moins aléatoires, " a déclaré Daniel Ratner du SLAC, l'auteur principal de l'étude. « De plus, nous devons très bien contrôler le délai entre eux. »
Dans la nouvelle approche, il a dit, "Nous n'aurions pas à nous soucier de tout cela. Nous utiliserions des impulsions de rayons X au fur et à mesure qu'elles sortiraient du XFEL sans autres modifications."
En réalité, dans cette nouvelle façon de penser, chaque paire de pointes dans une seule impulsion de rayons X peut être considérée comme une paire d'impulsions de pompe et de sonde, les chercheurs ont ainsi pu effectuer de nombreuses mesures pompe-sonde avec un seul tir du XFEL.
Prendre des instantanés fantomatiques
Pour produire des instantanés des mouvements moléculaires d'un échantillon avec cette méthode, Ratner et ses collègues veulent appliquer la technique de l'imagerie fantôme.
En imagerie conventionnelle (à gauche), la lumière tombant sur un objet produit une image bidimensionnelle sur un détecteur. L'imagerie fantôme (à droite) construit une image en analysant comment des motifs aléatoires de lumière éclairant l'objet affectent la quantité totale de lumière provenant de l'objet. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
En imagerie conventionnelle, la lumière tombant sur un objet produit une image bidimensionnelle sur un détecteur - que ce soit le fond de votre œil, le capteur mégapixel de votre téléphone portable ou un détecteur de rayons X avancé. Imagerie fantôme, d'autre part, construit une image en analysant comment des motifs aléatoires de lumière éclairant l'objet affectent la quantité totale de lumière provenant de l'objet.
« Dans notre méthode, les motifs aléatoires sont les structures de pointes fluctuantes des impulsions XFEL individuelles, " a déclaré le co-auteur Siqi Li, un étudiant diplômé au SLAC et à Stanford et auteur principal d'une étude précédente qui a démontré l'imagerie fantôme à l'aide d'électrons. "Pour faire la reconstruction de l'image, nous devons répéter l'expérience plusieurs fois - environ 100, 000 fois dans nos simulations. Chaque fois, nous mesurons le profil du pouls avec un outil de diagnostic et analysons le signal émis par l'échantillon."
Dans un processus informatique qui emprunte des idées à l'apprentissage automatique, les chercheurs peuvent ensuite transformer ces données en une visualisation des effets de l'impulsion de rayons X sur l'échantillon.
Un outil complémentaire
Jusque là, la nouvelle idée n'a été testée qu'en simulation et attend une validation expérimentale, par exemple au laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Encore, les chercheurs sont déjà convaincus que leur méthode pourrait compléter les expériences pompe-sonde conventionnelles.
"Si les tests futurs sont concluants, la méthode pourrait renforcer notre capacité à examiner des processus très fondamentaux dans les expériences XFEL, " a déclaré Ratner. " Cela offrirait également quelques avantages que nous aimerions explorer. " Ceux-ci incluent plus de stabilité, reconstruction d'image plus rapide, moins de dommages aux échantillons et la possibilité de faire des expériences à des échelles de temps de plus en plus rapides.
