Des chercheurs ont mis en place une nouvelle installation laser à haute fréquence à l'Université de Tokyo. La source de lumière ultraviolette extrême cohérente peut révéler des détails d'échantillons biologiques ou physiques avec une clarté sans précédent. Il permet également d'étudier des phénomènes dépendant du temps tels que des réactions chimiques ultrarapides. Les installations existantes pour de telles investigations nécessitent nécessairement d'énormes accélérateurs de particules et sont prohibitives pour de nombreux chercheurs. Cette nouvelle installation devrait grandement améliorer l'accès pour un large éventail de chercheurs.

La lumière ultraviolette (UV) du soleil aide le corps à produire de la vitamine D et permet aux panneaux solaires de générer de l'énergie, et les rayons X peuvent être utilisés pour l'imagerie médicale pour trouver des os cassés ou d'autres conditions. Mais au-delà de ces aspects, La lumière UV et les rayons X sont également des outils essentiels pour l'étude du monde physique. Les chercheurs utilisent ces formes de lumière pour révéler des détails biologiques, échantillons chimiques et physiques tels que leur composition, structure et comportement.

Deux types de lumière particulièrement utiles pour les enquêtes de pointe sur les phénomènes à action rapide, comme certaines réactions chimiques ou processus biologiques, sont des impulsions cohérentes d'ultraviolet extrême (XUV) et de rayons X doux. Ce sont à la fois des formes de lumière très précises avec des paramètres finement contrôlés, semblable à des impulsions laser, crucial pour effectuer de bonnes expériences rigoureuses. Cependant, il y a quelques inconvénients à la façon dont ces poutres sont faites.

« Les installations permettant de produire des rayons XUV et X mous cohérents sont d'énormes machines basées sur des accélérateurs de particules, comme des versions plus petites du grand collisionneur de hadrons en Europe, " a déclaré le professeur Katsumi Midorikawa de l'Institut UTokyo pour la science et la technologie des photons et du Centre RIKEN pour la photonique avancée. " Compte tenu de la rareté de ces installations et du coût d'y mener des expériences, il présente un obstacle à beaucoup de ceux qui pourraient souhaiter les utiliser. C'est ce qui m'a poussé, ainsi que mes collègues d'UTokyo et de RIKEN, à créer un nouveau type d'installation qui, nous l'espérons, sera beaucoup plus accessible à un plus grand nombre de chercheurs. »

La nouvelle installation de source XUV est beaucoup, beaucoup plus petit que tout ce qui l'a précédé. Il est installé dans un laboratoire souterrain relativement modeste de l'Université de Tokyo. L'essentiel de la machine est un conteneur sous vide de 5 mètres sur 2 abritant un anneau de 100 mètres de long, ou résonateur, vers le bas duquel une lumière laser haute puissance est stockée. À deux endroits sur cette bobine se trouvent des poches de gaz rares qui modifient les caractéristiques du laser passant. Cela se traduit par les deux faisceaux séparés de rayons XUV et de rayons X mous, qui sont coulés sur des échantillons en cours d'investigation. La lumière réfléchie par les échantillons est ensuite lue par des capteurs d'imagerie à grande vitesse.

"Ce qui est vraiment nouveau dans notre approche, c'est que les impulsions XUV et les rayons X mous sont extrêmement courtes mais se produisent à des fréquences très élevées, dans la région du mégahertz, ou des millions de cycles par seconde, " dit Midorikawa. " Pour la perspective, les installations XUV établies qui utilisent des impulsions de rayonnement synchrotron dans la région du mégahertz ont des salves plus longues qui sont moins adaptées à la résolution des phénomènes dynamiques. Et ceux qui utilisent des sources laser à électrons dites sans rayons X ont des impulsions courtes, mais offrent des fréquences basses de l'ordre de 10 hertz à 100 hertz. Ainsi, notre établissement offre le meilleur des deux mondes, avec l'avantage supplémentaire d'être seulement une fraction de la taille et avec des coûts d'exploitation bien inférieurs. »

Cette nouvelle source XUV offre des impulsions ultracourtes, utile pour sonder les phénomènes rapides, et hautes fréquences, utile pour étudier la structure et les propriétés chimiques de la matière. Ceci est possible grâce au processus qui crée les impulsions lorsque le laser interagit avec le gaz. C'est ce qu'on appelle la génération d'harmoniques d'ordre élevé, et l'installation est la première du genre capable de produire plusieurs faisceaux XUV et de rayons X mous.

"Je travaille dans le domaine de la génération et de l'application XUV depuis 30 ans. Bien que la génération d'harmoniques d'ordre élevé ait apporté une percée dans ce domaine, le rendement de génération et le taux de répétition des impulsions étaient encore insuffisants pour de nombreuses applications, " dit Midorikawa. " Quand j'ai proposé l'idée de cette installation à mes collègues, ils ont tout de suite été intéressés et nous avons pu acquérir un budget adapté pour le terminer. Nous espérons tous que cela ouvrira la porte à de nouvelles recherches de scientifiques des matériaux, chimistes et biologistes qui peuvent enfin accéder à cet outil d'investigation étonnant et puissant."