Les installations laser à rayons X modernes telles que la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie permettent aux scientifiques d'étudier le comportement de la nature à des échelles ultrapetites et ultrarapides. Cependant, les impulsions individuelles de rayons X sont instables, fluctuant d'un tir à l'autre, et produire beaucoup de bruit de fond qui peut obscurcir le signal dans les expériences à haute résolution.

Maintenant, Les scientifiques du SLAC ont développé une méthode pour produire des rayons X plus brillants, plus stables et plus cohérents, avec des longueurs d'onde plus synchronisées les unes avec les autres. Cela pourrait augmenter l'efficacité de la collecte de données et ouvrir la voie à de nouveaux types d'expériences. Leurs résultats ont été récemment publiés dans Lettres d'examen physique .

Des outils pour la science

Depuis plusieurs années, l'équipe a cherché des moyens d'améliorer les performances du LCLS en améliorant la qualité de ses impulsions.

"Produire un laser à rayons X parfait est l'un des objectifs ultimes de notre communauté." dit le co-auteur et scientifique du SLAC Zhen Zhang. "Nous voulions trouver un moyen de faire ressembler les impulsions de rayons X à celles d'un laser optique classique, qui sont à la fois stables et cohérents."

Bob Schoenlein, Député LCLS pour la Science, affirme que cette recherche fera des XFEL des outils encore plus importants et polyvalents pour la science.

"C'est une approche très prometteuse pour contrôler les propriétés de cohérence des impulsions de rayons X LCLS, " dit-il. " Cela permettra des études de matériaux complexes et de systèmes moléculaires avec une résolution exquise en temps et en énergie. "

Le meilleur des deux mondes

Les chercheurs avaient étudié les approches existantes pour générer des impulsions de rayons X plus propres, comme filtrer les impulsions bruitées et les réinjecter dans le XFEL à l'aide d'un concept appelé « auto-ensemencement, " mais a constaté qu'il existe un compromis fondamental entre des impulsions hautement cohérentes et des impulsions hautement stables. Dans la méthode d'auto-ensemencement traditionnelle, il n'était pas possible d'avoir les deux à la fois.

Ils ont réalisé qu'ils devaient adopter une approche totalement différente pour contourner ce problème. C'est alors que l'auteur principal et scientifique du SLAC Erik Hemsing a eu l'idée d'étirer les impulsions de rayons X ultracourtes, dont les propriétés uniques permettent aux chercheurs de stabiliser et de purifier les légumineuses.

"Au lieu de filtrer le long, des impulsions bruyantes comme cela se fait en auto-ensemencement classique, nous nous sommes rendus compte que nous devrions plutôt produire d'abord des impulsions cohérentes ultracourtes, puis les étirer et les amplifier, " Hemsing dit. " Par ici, selon nos études, nous sommes en mesure d'augmenter considérablement la stabilité et la cohérence en même temps."

Le concept repose sur le fait que les impulsions ultracourtes peuvent être beaucoup moins bruitées et plus cohérentes que les impulsions longues, surtout s'ils atteignent leur puissance maximale. Le problème est que les impulsions courtes ne transportent pas beaucoup d'énergie et ne sont pas idéales pour certaines applications scientifiques à haute résolution. Les chercheurs ont trouvé un moyen de filtrer ces impulsions, puis les amplifier d'un facteur 10, 000.

"Cela nous permet d'obtenir les résultats que nous voulons sans modifications majeures de la configuration existante, " déclare Alex Halavanau, co-auteur et associé de recherche au SLAC.

Le mettre à l'épreuve

Pour faire suite à cette recherche, l'équipe espère tester l'idée au LCLS. À l'avenir, Halavanau dit, ils aimeraient étendre la technique à des rayons X "durs" plus énergétiques, et utiliser du neuf, des impulsions de rayons X mous personnalisées permises par cette technique pour mieux comprendre la physique des atomes, photons et électrons.

Zhirong Huang, directeur de la division de recherche sur les accélérateurs du SLAC, déclare :« Nous sommes impatients de mettre cette idée en œuvre dans le nouvel onduleur à rayons X mous qui sera bientôt mis en ligne pour LCLS-II. »