Représentation artistique de la mesure XFEL avec du gaz néon. Le délai inhérent entre l'émission de photoélectrons et d'électrons Auger conduit à une ellipse caractéristique dans les données analysées. En principe, la position des points de données individuels autour de l'ellipse peut être lue comme les aiguilles d'une horloge pour révéler le moment précis des processus de désintégration. Crédit :Daniel Haynes et Jörg Harms/Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière.
Une grande équipe internationale de scientifiques de divers organismes de recherche, y compris le Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), a développé une méthode qui améliore considérablement la résolution temporelle déjà ultrarapide réalisable avec les lasers à électrons libres à rayons X (XFEL). Cela pourrait conduire à des percées sur la façon de concevoir de nouveaux matériaux et des procédés chimiques plus efficaces.
Un appareil XFEL est une puissante combinaison d'accélérateur de particules et de technologie laser produisant des impulsions de rayons X extrêmement brillantes et ultracourtes pour la recherche scientifique. « Avec cette technologie, les scientifiques peuvent désormais suivre les processus qui se produisent en des millions d'un milliardième de seconde (femtosecondes) à des tailles allant jusqu'à l'échelle atomique, " a déclaré Gilles Doumy, physicien à la division Sciences et Génie Chimiques d'Argonne. "Notre méthode permet de faire cela pour des temps encore plus rapides."
L'une des applications les plus prometteuses des XFEL a été dans les sciences biologiques. Dans de telles recherches, les scientifiques peuvent saisir comment les processus biologiques fondamentaux de la vie changent au fil du temps, avant même que le rayonnement des rayons X du laser ne détruise les échantillons. En physique et chimie, ces rayons X peuvent également faire la lumière sur les processus les plus rapides se produisant dans la nature avec une vitesse d'obturation ne durant qu'une femtoseconde. De tels processus incluent la création et la rupture de liaisons chimiques et les vibrations d'atomes sur des surfaces de film mince.
Pendant plus d'une décennie, les XFEL ont fourni des performances intenses, impulsions de rayons X femtosecondes, avec des incursions récentes dans le régime sub-femtoseconde (attoseconde). Cependant, sur ces échelles de temps minuscules, il est difficile de synchroniser l'impulsion de rayons X qui déclenche une réaction dans l'échantillon et l'impulsion laser qui "l'observe". Ce problème est appelé gigue temporelle.
Auteur principal Dan Haynes, doctorant à l'Institut Max Planck de Structure et Dynamique de la Matière, mentionné, "C'est comme essayer de photographier la fin d'une course lorsque l'obturateur de l'appareil photo peut s'activer à tout moment dans les dix dernières secondes."
Pour contourner le problème de gigue, l'équipe de recherche a proposé une solution pionnière, approche très précise appelée "strie attoseconde auto-référencée". L'équipe a démontré sa méthode en mesurant un processus de désintégration fondamentale dans le gaz néon à la source de lumière cohérente Linac, une installation utilisateur du DOE Office of Science au SLAC National Accelerator Laboratory.
Doumy et son conseiller de l'époque, Professeur Louis DiMauro de l'Université d'État de l'Ohio, avait proposé la mesure pour la première fois en 2012.
Dans le processus de décomposition, appelé pourriture Auger, une impulsion de rayons X catapulte les électrons du noyau atomique dans l'échantillon hors de leur place. Cela conduit à leur remplacement par des électrons dans les couches atomiques externes. Lorsque ces électrons externes se détendent, ils libèrent de l'énergie. Ce processus peut induire l'émission d'un autre électron, connu sous le nom d'électron Auger. Les dommages causés par les radiations sont dus à la fois aux rayons X intenses et à l'émission continue d'électrons Auger, qui peut rapidement dégrader l'échantillon. Lors de l'exposition aux rayons X, les atomes de néon émettent également des électrons, appelés photoélectrons.
Après avoir exposé les deux types d'électrons à une impulsion laser externe de "strie", les chercheurs ont déterminé leur énergie finale dans chacune des dizaines de milliers de mesures individuelles.
« À partir de ces mesures, nous pouvons suivre la décroissance Auger dans le temps avec une précision inférieure à la femtoseconde, même si la gigue de synchronisation était cent fois plus grande, ", a déclaré Doumy. "La technique repose sur le fait que les électrons Auger sont émis légèrement plus tard que les photoélectrons et interagissent ainsi avec une partie différente de l'impulsion laser de traînée."
Ce facteur constitue le fondement de la technique. En combinant autant d'observations individuelles, l'équipe a pu construire une carte détaillée du processus de désintégration physique. A partir de ces informations, ils pourraient déterminer le délai caractéristique entre le photoélectron et l'émission d'électrons Auger.
Les chercheurs espèrent que les stries auto-référencées auront un large impact dans le domaine de la science ultrarapide. Essentiellement, la technique permet d'étendre la spectroscopie de stries attoseconde traditionnelle aux XFEL du monde entier à mesure qu'ils approchent de la frontière attoseconde. De cette façon, les stries auto-référencées peuvent faciliter une nouvelle classe d'expériences bénéficiant de la flexibilité et de l'extrême intensité des XFEL sans compromettre la résolution temporelle.
