Grâce aux impulsions laser à rayons X, la structure de la matière peut être étudiée avec une précision sans précédent. Cependant, les impulsions sont si violentes qu'elles détruisent l'échantillon irradié. Pourtant, une équipe de physiciens polono-japonais vient de réussir à démontrer que les atomes du cristal étudié réagissent à une avalanche de photons avec un certain retard. Cette découverte signifie qu'en utilisant des impulsions laser suffisamment courtes, il sera possible de visualiser une structure non perturbée de la matière.

Est-il possible de voir des réactions chimiques de molécules complexes à une résolution subatomique ? Il semble que oui, mais seulement avec l'utilisation de lasers à électrons libres (FEL). Les lasers de ce type sont capables de générer des impulsions de rayons X aux qualités uniques :non seulement ils sont ultra-courts, mesurés en une seule femtoseconde, mais ils contiennent également un grand nombre de photons. Après avoir irradié un échantillon avec une telle impulsion, une image de diffraction est produite, à partir de laquelle les physiciens peuvent tenter de reconstituer la structure spatiale des molécules. Dans cette approche, cependant, se cache un problème très sérieux.

"Lorsque nous irradions un échantillon avec beaucoup de photons de haute énergie, ses atomes commencent à interagir avec le rayonnement si fortement que le matériau est détruit. Alors, que voyons-nous dans les images de diffraction enregistrées - la véritable structure de l'échantillon ou plutôt un l'image de sa destruction ?" demande le professeur Beata Ziaja-Motyka de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie et du Centre de recherche sur les lasers à électrons libres (CFEL) de DESY à Hambourg.

Le professeur Ziaja-Motyka est membre d'une équipe internationale de physiciens expérimentaux et théoriques dirigée par le Dr Ichiro Inoue de l'installation japonaise RIKEN SPring-8 Center FEL. Le groupe étudie depuis plusieurs années l'interaction des impulsions de rayons X laser avec la matière. Dans leur dernier article, publié dans Physical Review Letters , les scientifiques présentent les résultats de travaux sur de tels procédés dans le cas de nanocristaux de corindon constitués d'atomes d'oxygène et d'aluminium. La partie expérimentale a été réalisée à l'aide du laser à rayons X SACLA opérant à Hyogo, au Japon.

"Une caractéristique unique de notre laser est sa capacité à produire des impulsions de rayons X durs, c'est-à-dire à haute énergie, qui sont à la fois ultra-courts et de haute intensité. Dans nos recherches sur les nanocristaux de corindon, nous avons utilisé des impulsions d'une durée d'à peine six femtosecondes. Les données recueillies nous ont permis d'estimer que les atomes de cristal commencent à réagir au faisceau de photons avec un retard de 20 femtosecondes », explique le Dr Inoue.

"Les résultats expérimentaux sont en excellent accord avec les prédictions de nos modèles et simulations, où un retard similaire apparaît également", déclare le professeur Ziaja-Motyka, qui, avec le Dr Victor Tkachenko (IFJ PAN), a participé à la théorie description et simulations des phénomènes étudiés. "Nous pensons que la raison principale de ce retard est le fait que les électrons situés dans les atomes piégés dans les nœuds du réseau cristallin agissent un peu comme un pare-chocs et sont les premiers à prendre l'impulsion de l'impulsion de rayons X", ajoute le Dr Tkachenko.

La réponse retardée des atomes d'oxygène et d'aluminium dans le corindon à l'impulsion de rayons X s'avère être une conséquence de l'évolution suivante des événements. Lorsque des photons de haute énergie pénètrent dans le cristal, ils transmettent cette énergie principalement aux électrons des atomes intégrés dans les nœuds du réseau cristallin. À la suite de cette interaction, les électrons sont massivement expulsés des atomes. En raison de la différence de masse importante entre les électrons libérés et les atomes ionisants, ces derniers ne ressentent pas initialement le recul. Cependant, les atomes eux-mêmes, jusqu'alors électriquement inertes, deviennent fortement chargés électriquement et commencent à ressentir de la répulsion de leurs voisins chargés de manière similaire. C'est ce processus qui prend environ 20 femtosecondes. À un stade encore plus avancé, les ions acquièrent de l'énergie supplémentaire grâce aux interactions avec les électrons accélérés. Le résultat final est la destruction de l'échantillon.

Dans le passé, des systèmes constitués d'atomes d'éléments différents ont déjà été étudiés avec des lasers FEL à rayons X. Cependant, des impulsions d'une durée de 15 à 20 femtosecondes ont été utilisées pour les irradier. On sait maintenant que c'est précisément à une telle échelle de temps que les atomes des systèmes commencent à répondre à l'irradiation pulsée. Ce fait signifie que les images obtenues jusqu'à présent ont représenté des structures déjà partiellement perturbées par l'interaction avec le faisceau laser.

L'accord des temps de réaction des atomes dans le nanocristal de corindon à une impulsion de rayons X, mesuré dans la dernière expérience, avec ceux prédits par des simulations, nous permet d'envisager avec optimisme d'autres tentatives d'observation d'autres systèmes plus complexes, en particulier ceux contenant de la lumière. éléments, qui sont les éléments constitutifs de la matière vivante.

La structure de nanocristaux simples, comme le corindon, est reproductible. Les symétries existantes facilitent les observations, l'analyse des images de diffraction et la simulation des réactions des échantillons aux impulsions laser. Malheureusement, de nombreuses structures intéressantes sont dépourvues de symétrie. L'objectif ambitieux des travaux de l'équipe de physiciens polono-japonais est donc de développer des méthodes et de créer des outils permettant l'imagerie et la simulation de systèmes biologiquement pertinents, tels que des conglomérats de protéines ou des virus uniques.

"Actuellement, les temps de réalisation des simulations informatiques posent un défi particulier. Le manque de symétrie dans les échantillons d'intérêt biologique nous oblige à modéliser de grands systèmes. Les calculs peuvent alors prendre plusieurs mois. Nous travaillons à les réduire à des heures uniques, ce qui accélérerait la recherche et faciliter son application pratique », note le professeur Ziaja-Motyka. + Explorer plus loin

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