Vue dans la chambre d'interaction avec le revolver pour jusqu'à six cellules d'enclume de diamant au centre. Crédit :DESY, Cornélius Strohm
Le laser à rayons X européen XFEL ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche à haute pression :une équipe internationale a utilisé pour la première fois les flashs laser intenses pour chauffer et analyser des échantillons dans des cellules à enclume de diamant au laser à rayons X. Les expériences ont clairement dépassé les attentes des scientifiques, comme l'a rapporté l'équipe de 50 expérimentateurs dirigée par Stewart McWilliams de l'Université d'Édimbourg après l'achèvement des expériences.
Les cellules à enclume diamant (DAC) font partie des instruments standards utilisés par les chercheurs en haute pression. En eux, deux petites enclumes de diamant ultra-dur compressent de minuscules échantillons, générant des pressions telles que celles qui règnent à l'intérieur de la Terre. Par ici, les géoscientifiques peuvent simuler les conditions à l'intérieur de notre planète et obtenir des informations importantes sur le noyau et le manteau de la Terre. "Jusque là, nous avons utilisé des cellules d'enclume en diamant sur des anneaux de stockage tels que PETRA III uniquement, " explique le minéralogiste DESY Hanns-Peter Liermann. " Jusqu'à récemment, nous ne les avons jamais maintenus dans le faisceau beaucoup plus puissant d'un laser à électrons libres; nous ne savions même pas si cela fonctionnerait du tout."
A l'instrument Haute Densité Energétique (HED) du XFEL Européen, les chercheurs mettent désormais en service pour la première fois une nouvelle chambre d'interaction, qui est spécialement conçu pour les expériences avec des cellules à enclume de diamant au laser à rayons X. "Actuellement, seul le XFEL européen peut fournir des rayons X durs avec une énergie suffisamment élevée pour pénétrer facilement les enclumes de diamant", déclare Ulf Zastrau, le chef de groupe de HED. La chambre à vide comporte un revolver, pouvant contenir jusqu'à 6 DAC pour un échange rapide et une utilisation optimisée du temps de faisceau, deux détecteurs à grande surface pour l'enregistrement des diagrammes de diffraction ainsi qu'un système optique pour l'imagerie des échantillons et la mesure de la température sans contact (pyrométrique).
Exposition stroboscopique :impression d'artiste des impulsions XFEL chauffant et sondant successivement l'échantillon. Les impulsions génèrent des anneaux Debye Scherrer sur le détecteur qui révèlent la structure de l'échantillon. Crédit :DESY, Jona Mainberger
La configuration complexe a été développée par DESY dans le cadre du consortium Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), dans laquelle plusieurs instituts sous la houlette du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont uni leurs forces pour réaliser des expériences dans des conditions extrêmes qui ne sont possibles sous cette forme qu'avec l'expertise des partenaires et les propriétés du faisceau de l'Union européenne XFEL.
Entre autres, les expériences bénéficient de la fréquence d'impulsion rapide du laser à rayons X européen, qui peut générer jusqu'à 27, 000 flashs par seconde. Alors qu'un premier flash de rayons X chauffe et fait fondre l'échantillon comprimé dans la cellule, le flash qui s'ensuit permet de mesurer avec précision les modifications de l'échantillon, avant même que l'échantillon ne puisse réagir avec la cellule. "Ceci n'est possible qu'au XFEL européen, " dit Cornélius Strohm, qui dirige le groupe HIBEF chez DESY. "Seul le XFEL européen fournit un nombre suffisant d'éclairs de rayons X de haute énergie en une courte succession." La haute énergie des photons fournit aux scientifiques plus de détails pour une meilleure analyse structurelle de leurs échantillons.
Dans les premières expérimentations avec des DAC au XFEL européen, l'équipe s'est d'abord concentrée sur des investigations systématiques comme base d'expériences futures. Par exemple, les chercheurs ont testé si les cellules d'enclume en diamant peuvent résister à de multiples expositions avec les impulsions de rayons X intenses du XFEL européen, si et comment l'échantillon peut être chauffé par une première impulsion de rayons X, puis examiné avec une autre impulsion immédiatement après, comment la température observée dépend de l'intervalle de temps entre les impulsions, et si les flashs intenses de rayons X déclenchent des réactions chimiques entre l'échantillon et le milieu de transfert de pression ou les diamants.
Alors que les chercheurs n'en sont qu'au début d'une évaluation détaillée des nombreuses données, ils peuvent déjà rendre compte des premières observations :les DAC avec des pressions allant jusqu'à un million d'atmosphères résistent en effet à de multiples expositions avec le faisceau du XFEL européen. Des échantillons appropriés pourraient être fortement chauffés par le faisceau de rayons X et, dans certains cas, fondu. Enfin et surtout, des réactions chimiques et des transformations de phase au sein des échantillons ont été induites et observées par le faisceau de rayons X. Des propositions d'expériences supplémentaires ont déjà été soumises afin d'explorer tout le potentiel des possibilités de recherche avec des cellules à enclume de diamant au XFEL européen.
