Dans la première expérience visant à tirer parti d'une nouvelle technologie pour produire de puissantes impulsions laser à rayons X attosecondes, une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford a montré qu'ils peuvent créer des ondulations électroniques dans les molécules grâce à un processus appelé "diffusion Raman impulsive".
L'exploitation de cette interaction unique permettra aux scientifiques d'étudier comment les électrons qui se déplacent autour des molécules déclenchent des processus clés en biologie, chimie, science des matériaux et plus encore. Les chercheurs ont décrit leurs résultats dans Lettres d'examen physique .
Typiquement, lorsque les impulsions de rayons X interagissent avec la matière, les rayons X font sauter les électrons du «noyau» les plus internes des molécules à des énergies plus élevées. Ces états excités par le noyau sont très instables, décroissant en seulement des millionièmes de milliardième de seconde. Dans la majorité des expériences aux rayons X, c'est ainsi que l'histoire se termine :les électrons excités retournent rapidement à leur place en transférant leur énergie à un électron voisin, le forçant hors de l'atome et produisant un ion chargé.
Cependant, avec une impulsion radiographique suffisamment courte et intense, l'atome peut être forcé de réagir différemment, ouvrir de nouvelles voies pour mesurer et contrôler la matière. Les rayons X peuvent exciter l'électron central mais aussi conduire un électron périphérique pour combler le vide. Cela permet à la molécule d'entrer dans un état excité tout en maintenant ses atomes dans un état stable, état neutre. Étant donné que ce processus Raman repose sur des électrons au niveau du noyau, l'excitation électronique est initialement très localisée dans la molécule, facilitant la localisation de son origine et le suivi de son évolution.
"Si vous pensez aux électrons de la molécule comme à un lac, l'interaction Raman est similaire à prendre une pierre et à la jeter dans l'eau, " explique le co-auteur et scientifique du SLAC James Cryan. " Cette " excitation " crée des ondes qui ondulent sur la surface à partir d'un point spécifique. D'une manière similaire, Les excitations aux rayons X créent des « ondes de charge » qui se propagent à travers la molécule. Ils offrent aux chercheurs une toute nouvelle façon de mesurer la réponse d'une molécule à la lumière."
Les impulsions de lumière visible peuvent également être utilisées pour créer des molécules d'état excité, mais ces impulsions ressemblent davantage à un petit tremblement de terre qui secoue toute la surface de l'eau. L'excitation impulsionnelle des rayons X Raman donne beaucoup plus d'informations sur les propriétés de la molécule, l'équivalent de laisser tomber des pierres à divers endroits pour produire et observer différents modèles d'ondulation.
Des expériences LCLS antérieures ont démontré le processus Raman dans les atomes, mais jusqu'à présent, l'observation de ce processus dans les molécules a échappé aux scientifiques. Cette expérience a réussi grâce aux développements récents dans la production d'impulsions laser à électrons libres (FEL) à rayons X 10 à 100 fois plus courtes qu'auparavant. Dirigé par le scientifique du SLAC Agostino Marinelli, le projet X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse (XLEAP) a fourni une méthode pour générer des impulsions intenses de seulement 280 attosecondes, ou des milliardièmes de milliardième de seconde, longue. Ces impulsions ont été essentielles au succès de l'expérience et permettront aux scientifiques de lancer des réactions chimiques et des processus quantiques cohérents à l'avenir.
"Cette expérience met en valeur les propriétés uniques des FEL attosecondes par rapport aux sources attosecondes à laser de pointe, " dit Marinelli. " Plus important encore, cette expérience montre à quel point une collaboration étroite entre les scientifiques des accélérateurs et la communauté des utilisateurs peut conduire à une nouvelle science passionnante."
