Depuis plus de 100 ans, nous utilisons les rayons X pour regarder à l'intérieur de la matière et progressons vers des structures de plus en plus petites, des cristaux aux nanoparticules. Maintenant, dans le cadre d'une collaboration internationale plus large sur le laser à rayons X européen XFEL à Schenefeld près de Hambourg, les physiciens de l'université Goethe ont réalisé un saut qualitatif. En utilisant une nouvelle technique expérimentale, ils ont pu radiographier des molécules telles que l'oxygène et visualiser leur mouvement dans le microcosme pour la première fois.

"Plus la particule est petite, plus le marteau est gros." Cette règle de la physique des particules, qui regarde à l'intérieur des noyaux atomiques à l'aide de gigantesques accélérateurs, s'applique également à cette recherche. Afin de radiographier une molécule à deux atomes telle que l'oxygène, une impulsion de rayons X extrêmement puissante et ultra-courte est requise. Cela a été fourni par le XFEL européen qui a commencé ses opérations en 2017 et est l'une des sources de rayons X les plus puissantes au monde.

Afin d'exposer des molécules individuelles, une nouvelle technique de radiographie est également nécessaire. A l'aide de l'impulsion laser extrêmement puissante, la molécule est rapidement privée de deux électrons liés. Cela conduit à la création de deux ions chargés positivement qui s'éloignent brusquement l'un de l'autre en raison de la répulsion électrique. Simultanément, le fait que les électrons se comportent aussi comme des ondes est mis à profit. "Vous pouvez le voir comme un sonar, " explique le chef de projet, le professeur Till Jahnke de l'Institut de physique nucléaire. " L'onde électronique est diffusée par la structure moléculaire lors de l'explosion, et nous avons enregistré le motif de diffraction résultant. Nous avons donc pu essentiellement radiographier la molécule de l'intérieur, et l'observer en plusieurs étapes lors de sa rupture."

Pour cette technique, connue sous le nom d'imagerie par diffraction électronique, ' les physiciens de l'Institut de physique nucléaire ont passé plusieurs années à développer la technique COLTRIMS, qui y a été conçu (et est souvent appelé 'microscope de réaction'). Sous la supervision du Dr Markus Schöffler, un appareillage correspondant a été préalablement modifié pour les exigences du XFEL européen, et conçu et réalisé dans le cadre d'une thèse de doctorat par Gregor Kastirke. Pas de tâche simple, comme l'observe Till Jahnke :« Si je devais concevoir un vaisseau spatial pour voler en toute sécurité vers la lune et en revenir, Je voudrais vraiment que Gregor fasse partie de mon équipe. Je suis très impressionné par ce qu'il a accompli ici."

Le résultat, qui a été publié dans le numéro actuel du célèbre Examen physique X , fournit la première preuve que cette méthode expérimentale fonctionne. À l'avenir, les réactions photochimiques de molécules individuelles peuvent être étudiées à l'aide de ces images avec leur haute résolution temporelle. Par exemple, il devrait être possible d'observer en temps réel la réaction d'une molécule de taille moyenne aux rayons UV. En outre, il s'agit des premiers résultats de mesure à être publiés depuis la mise en service de la station expérimentale Small Quantum Systems (SQS) à l'European XFEL fin 2018.