L'un des derniers obstacles à la photographie et au tournage de processus se déroulant à l'échelle de l'attoseconde, c'est-à-dire des milliardièmes de milliardième de seconde, a disparu. La clé de son élimination réside dans le caractère aléatoire des processus responsables de la formation des impulsions laser à rayons X.

Il n'y a que peu de lasers à rayons X dans le monde aujourd'hui. Ces appareils sophistiqués peuvent être utilisés pour enregistrer même des processus extrêmement rapides tels que les changements dans les états électroniques des atomes. Les impulsions générées par les lasers à rayons X modernes sont déjà suffisamment courtes pour pouvoir envisager de prendre des attophotos ou même des attofilms. Cependant, ce qui restait un problème était l'optique à rayons X elle-même. Lorsqu'une impulsion de rayons X ultra-courte quitte le laser dans lequel elle a été créée, il peut être étendu dans le temps plus d'une douzaine de fois.

Un groupe international de physiciens sous la supervision du Dr Jakub Szlachetko et du Dr Joanna Czapla-Masztafiak de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie et du Dr Yves Kayser de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt à Berlin a prouvé en Communication Nature que l'optique à rayons X ne devrait plus être un obstacle. La publication est le résultat de recherches menées au laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) au SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park, Californie.

"La meilleure façon de se débarrasser des problèmes avec l'optique à rayons X était... de se débarrasser de l'optique à rayons X, " rit le Dr Szlachetko. " Au lieu de résoudre le problème, nous avons trouvé un moyen de le contourner. Il est intéressant que nous ayons remplacé l'optique... par hasard. Littéralement! Nous avons montré que des paramètres bien meilleurs que les impulsions laser à rayons X actuelles peuvent être obtenus en utilisant habilement des processus de nature stochastique. »

Ce n'est pas le premier cas dans l'histoire des lasers à rayons X où la physique elle-même vient en aide aux concepteurs. Dans les lasers classiques, l'élément clé est le résonateur optique. Il s'agit d'un système de miroirs qui ne fait que renforcer les photons d'une certaine longueur d'onde, se déplaçant dans une certaine direction. Les lasers à rayons X ont longtemps été considérés comme impossibles à construire en raison du manque de miroirs capables de réfléchir les rayons X. Cet obstacle a été éliminé lorsqu'on s'est aperçu que le résonateur pouvait être remplacé... par la seule physique relativiste. Lorsqu'un électron accéléré à une vitesse proche de la vitesse de la lumière passe le long d'un système de nombreux aimants orientés alternativement, il ne se déplace pas en ligne droite, mais tourne autour, perdre de l'énergie en même temps. Les effets relativistes forcent alors l'électron à émettre des photons de haute énergie non dans une direction aléatoire, mais le long du parcours originel du faisceau d'électrons (d'où le nom :Laser à électrons libres - FEL).

Les grands espoirs associés aux lasers à rayons X sont dus au fait qu'ils peuvent être utilisés pour enregistrer des réactions chimiques. Chaque impulsion laser peut fournir des informations sur l'état électronique actuel du système observé (atome ou molécule). À la fois, l'énergie d'impulsion est si élevée qu'immédiatement après l'enregistrement de l'image, les objets illuminés cessent d'exister. Heureusement, le processus d'observation peut être répété plusieurs fois. Les images recueillies lors d'une session plus longue permettent aux scientifiques de reconstituer avec précision toutes les étapes de la réaction chimique étudiée.

« La situation peut être comparée à des tentatives de photographier des événements du même type avec un appareil photo flash. Lorsque nous prenons suffisamment de photos d'un nombre suffisant des mêmes événements, nous pouvons les utiliser pour construire un film avec une grande précision montrant ce qui se passe lors d'un seul événement, " explique le Dr Czapla-Masztafiak et explique :" Le problème est que les impulsions générées dans les lasers à rayons X surviennent lors d'une émission stimulée auto-renforçante spontanée et ne peuvent pas être entièrement contrôlées. "

La nature spontanée des impulsions signifie que dans les lasers à rayons X, les paramètres des impulsions suivantes ne sont pas exactement les mêmes. Les impulsions apparaissent une fois plus tôt, une fois plus tard, ils diffèrent aussi légèrement par l'énergie des photons et leur nombre. Dans l'analogie présentée, cela correspondrait à une situation où les photos suivantes sont prises avec des flashes différents, en outre, activé à des moments aléatoires.

Le caractère aléatoire inévitable des impulsions de rayons X a forcé les physiciens à monter un équipement de diagnostic optique supplémentaire dans les lasers FEL. Par conséquent, même si le laser a généré une impulsion originale de durée attoseconde, elle a été étendue par l'optique à rayons X aux femtosecondes. Maintenant, il s'avère que pour enregistrer les états électroniques des atomes ou des molécules d'une manière qui permet la reconstruction des réactions chimiques, des impulsions avec des paramètres contrôlés avec précision ne sont pas nécessaires.

"La suppression de l'optique à rayons X nous a également permis d'utiliser des impulsions de très haute énergie pour étudier les effets non linéaires. Cela signifie que les atomes commencent à être transparents aux rayons X à un moment donné, qui à son tour est associée à une augmentation de l'absorption dans une gamme différente de rayonnement, " explique le Dr Szlachetko.

La nouvelle méthode sera introduite en coopération avec l'IFJ PAN dans des expériences menées à l'aide des deux lasers à rayons X actuels :le XFEL européen près de Hambourg (Allemagne) et le SwissFEL à Villigen (Suisse). Les travaux liés à l'essai de la nouvelle technique dans le cadre d'expériences chimiques ont été menés en étroite collaboration avec le Dr Jacinto Sa de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences de Varsovie et de l'Université d'Uppsala.

Dans le cadre de la technique proposée, il convient de souligner que dans le cas de l'optique classique, il existe des limitations purement physiques liées à la résolution des instruments optiques, par exemple la fameuse limite de diffraction. Il n'y a pas de limitations physiques dans la nouvelle méthode, car il n'y a pas d'optique. Donc, si les lasers à rayons X apparaissent avec des impulsions encore plus courtes que celles actuellement générées, la nouvelle technique peut être utilisée avec succès avec eux.