En 1921, Albert Einstein a reçu le prix Nobel de physique pour la découverte que la lumière est quantifiée, interagissant avec la matière sous la forme d'un flux de particules appelées photons. Depuis les débuts de la mécanique quantique, les physiciens savent que les photons possèdent également une quantité de mouvement. La capacité du photon à transférer l'impulsion a été utilisée dans une nouvelle approche par les scientifiques de l'Institut Max Born, Université d'Uppsala et l'installation européenne de laser à électrons libres à rayons X pour observer un processus fondamental dans l'interaction des rayons X avec les atomes. Les résultats expérimentaux et théoriques détaillés sont rapportés dans la revue Science .

L'absorption et l'émission de photons par les atomes sont des processus fondamentaux de l'interaction de la lumière avec la matière. Beaucoup plus rares sont les processus dans lesquels plusieurs photons interagissent simultanément avec un atome. La disponibilité de faisceaux laser intenses depuis les années 1960 a conduit au développement de l'optique non linéaire pour l'observation et l'exploitation de tels processus.

Des possibilités entièrement nouvelles émergent s'il est possible d'utiliser l'optique non linéaire avec des rayons X au lieu de la lumière visible. L'utilisation d'éclairs ultracourts de rayons X permet un aperçu détaillé du mouvement des électrons et des noyaux atomiques dans les molécules et les solides. Cette perspective a été l'un des moteurs qui ont conduit à la construction de lasers à rayons X basés sur des accélérateurs de particules dans plusieurs pays. Lorsque le laser européen à rayons X à électrons libres XFEL est entré en service en 2017, la communauté scientifique a fait un pas important dans cette direction. Néanmoins, les progrès dans l'utilisation des processus de rayons X non linéaires pour étudier l'interaction fondamentale avec la matière ont été plus lents que prévu. "Typiquement, les processus linéaires beaucoup plus forts obstruent les processus non linéaires intéressants, " déclare le professeur Ulli Eichmann de l'Institut Max Born d'optique non linéaire et de spectroscopie à impulsions courtes à Berlin.

L'équipe de recherche germano-suédoise a maintenant démontré une nouvelle méthode pour observer les processus non linéaires sans être dérangé par les processus linéaires. À cette fin, l'équipe a utilisé la quantité de mouvement qui est transférée entre les rayons X et les atomes. Lors du croisement d'un faisceau atomique supersonique avec le faisceau de rayons X, ils peuvent identifier les atomes qui ont subi le processus dit de diffusion Raman stimulée, un processus non linéaire fondamental par lequel deux photons de longueurs d'onde différentes frappent un atome et deux photons de longueur d'onde plus longue quittent l'atome. Les résultats ont été publiés dans le journal Science .

"Les photons transfèrent de la quantité de mouvement à un atome, ce qui est tout à fait analogue à une boule de billard qui en frappe une autre, " explique Eichmann. Dans le processus Raman stimulé, les deux photons quittent l'atome exactement dans la même direction que les deux photons incidents, par conséquent, la quantité de mouvement de l'atome et sa direction de vol restent essentiellement inchangées. Les processus linéaires beaucoup plus fréquents, où un photon est absorbé suivi de l'émission d'un autre photon, ont une signature différente :comme le photon émis est généralement émis dans une direction différente, l'atome sera dévié. En observant la direction des atomes, les scientifiques ont ainsi pu clairement discriminer le processus Raman stimulé des autres processus.

« La nouvelle méthode ouvre des possibilités uniques lorsqu'elle est combinée à l'avenir avec deux impulsions de rayons X retardées de différentes longueurs d'onde. De tels modèles d'impulsions sont récemment devenus disponibles dans les lasers à rayons X comme le XFEL européen, " explique le Dr Michael Meyer, chercheur à l'European XFEL.

Comme les impulsions de rayons X avec différentes longueurs d'onde permettent aux chercheurs d'adresser spécifiquement des atomes particuliers dans une molécule, il est possible d'observer en détail comment les fonctions d'onde des électrons dans les molécules évoluent au cours du temps. À long terme, les scientifiques espèrent non seulement observer cette évolution, mais pour l'influencer via des impulsions laser sur mesure. "Notre approche permet une meilleure compréhension des réactions chimiques à l'échelle atomique et peut aider à orienter les réactions dans une direction souhaitée. Le mouvement des électrons étant l'étape essentielle des réactions chimiques et photochimiques se produisant par exemple dans les batteries et les cellules solaires, notre approche peut également donner un nouvel aperçu de ces processus, " dit Jan-Erik Rubensson, professeur à l'Université d'Uppsala.