Un compresseur utilisant un rayonnement térahertz pour raccourcir les paquets d'électrons est suffisamment petit pour tenir dans la paume d'une main. Crédit :Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie ont réalisé une nouvelle avancée prometteuse pour la "caméra électronique" à grande vitesse du laboratoire qui pourrait leur permettre de "filmer" de minuscules, mouvements ultrarapides de protons et d'électrons dans des réactions chimiques jamais vues auparavant. De tels "films" pourraient éventuellement aider les scientifiques à concevoir des processus chimiques plus efficaces, inventer des matériaux de nouvelle génération aux propriétés nouvelles, développer des médicaments pour lutter contre la maladie et plus encore.
La nouvelle technique tire parti d'une forme de lumière appelée rayonnement térahertz, au lieu du rayonnement radiofréquence habituel, pour manipuler les faisceaux d'électrons que l'instrument utilise. Cela permet aux chercheurs de contrôler la vitesse à laquelle la caméra prend des instantanés et, à la fois, réduit un effet embêtant appelé gigue de synchronisation, ce qui empêche les chercheurs d'enregistrer avec précision la chronologie de l'évolution des atomes ou des molécules.
La méthode pourrait également conduire à des accélérateurs de particules plus petits :parce que les longueurs d'onde du rayonnement térahertz sont environ cent fois plus petites que celles des ondes radio, les instruments utilisant le rayonnement térahertz pourraient être plus compacts.
Les chercheurs ont publié les résultats dans Lettres d'examen physique le 4 février.
Un appareil photo rapide
La "caméra électronique du SLAC, " ou instrument de diffraction ultrarapide des électrons (MeV-UED), utilise des faisceaux d'électrons à haute énergie voyageant près de la vitesse de la lumière pour prendre une série d'instantanés - essentiellement un film - de l'action entre et au sein des molécules. Cela a été utilisé, par exemple, pour tourner un film sur la façon dont une molécule en forme d'anneau se brise lorsqu'elle est exposée à la lumière et pour étudier les processus au niveau atomique dans la fusion du tungstène qui pourraient éclairer la conception des réacteurs nucléaires.
La technique fonctionne en tirant des paquets d'électrons sur un objet cible et en enregistrant comment les électrons se dispersent lorsqu'ils interagissent avec les atomes de la cible. Les paquets d'électrons définissent la vitesse d'obturation de la caméra électronique. Plus les grappes sont courtes, plus les mouvements qu'ils peuvent capturer sont rapides dans une image nette.
"C'est comme si la cible était figée dans le temps pendant un instant, " dit Emma Snively du SLAC, qui a dirigé la nouvelle étude.
Emma Snively et Mohamed Othman du SLAC devant la "caméra électronique à haute vitesse du laboratoire, " un instrument pour la diffraction ultrarapide des électrons (MeV-UED). Crédit :Jacqueline Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
Pour cette raison, les scientifiques veulent que tous les électrons d'un groupe touchent une cible aussi près que possible simultanément. Ils le font en donnant aux électrons à l'arrière un petit coup de pouce en énergie, pour les aider à rattraper ceux qui sont en tête.
Jusque là, les chercheurs ont utilisé des ondes radio pour fournir cette énergie. Mais la nouvelle technique développée par l'équipe du SLAC dans l'installation MeV-UED utilise plutôt la lumière à des fréquences térahertz.
Pourquoi térahertz ?
Un avantage clé de l'utilisation du rayonnement térahertz réside dans la façon dont l'expérience raccourcit les paquets d'électrons. Dans l'installation MeV-UED, les scientifiques tirent un laser sur une électrode de cuivre pour faire tomber des électrons et créer des faisceaux de paquets d'électrons. Et jusqu'à récemment, ils utilisaient généralement des ondes radio pour raccourcir ces paquets.
Cependant, les ondes radio augmentent également chaque paquet d'électrons à une énergie légèrement différente, les grappes individuelles varient donc dans la rapidité avec laquelle elles atteignent leur cible. Cette variance temporelle est appelée gigue, et cela réduit les capacités des chercheurs à étudier des processus rapides et à horodater avec précision comment une cible change avec le temps.
La méthode térahertz contourne ce problème en divisant le faisceau laser en deux. Un faisceau frappe l'électrode de cuivre et crée des paquets d'électrons comme auparavant, et l'autre génère les impulsions de rayonnement térahertz pour raccourcir les paquets d'électrons. Comme ils ont été produits par le même faisceau laser, les paquets d'électrons et les impulsions térahertz sont maintenant synchronisés les uns avec les autres, réduire la gigue de synchronisation entre les paquets.
Jusqu'à la femtoseconde
Une innovation clé pour ce travail, disent les chercheurs, créait une cavité d'accélérateur de particules, appelé le compresseur. Ce morceau de métal soigneusement usiné est assez petit pour tenir dans la paume d'une main. A l'intérieur de l'appareil, les impulsions térahertz raccourcissent les paquets d'électrons et leur donnent une poussée ciblée et efficace.
De gauche à droite :Emma Snively du SLAC, Michael Kozina et Mohamed Othman à l'instrument MeV-UED du laboratoire. Crédit :Jacqueline Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
Par conséquent, l'équipe a pu compresser des paquets d'électrons pour qu'ils ne durent que quelques dizaines de femtosecondes, ou des quadrillions de seconde. Ce n'est pas autant de compression que les méthodes de radiofréquence conventionnelles peuvent atteindre maintenant, mais les chercheurs disent que la capacité de réduire simultanément la gigue rend la méthode térahertz prometteuse. Les compresseurs plus petits rendus possibles par la méthode térahertz signifieraient également un coût inférieur par rapport à la technologie radiofréquence.
"Les schémas de compression radiofréquence typiques produisent des paquets plus courts mais une gigue très élevée, " dit Mohamed Othman, un autre chercheur du SLAC de l'équipe. "Si vous produisez un paquet compressé et réduisez également la gigue, alors vous pourrez capturer des processus très rapides que nous n'avons jamais pu observer auparavant."
Finalement, l'équipe dit, le but est de compresser des paquets d'électrons jusqu'à environ une femtoseconde. Les scientifiques pourraient alors observer les échelles de temps incroyablement rapides du comportement atomique dans des réactions chimiques fondamentales telles que la rupture des liaisons hydrogène et le transfert de protons individuels entre les atomes, par exemple, qui ne sont pas entièrement compris.
"En même temps que nous étudions la physique de la façon dont ces faisceaux d'électrons interagissent avec ces ondes térahertz intenses, nous construisons aussi vraiment un outil que d'autres scientifiques peuvent utiliser immédiatement pour explorer des matériaux et des molécules d'une manière qui n'était pas possible auparavant, " dit Emilio Nanni du SLAC, qui a mené le projet avec Renkai Li, un autre chercheur du SLAC. "Je pense que c'est l'un des aspects les plus gratifiants de cette recherche."
