Ils sont partout, autour de nous et en nous. Les phénomènes qui durent des billionièmes de seconde forment le cœur de la chimie et de la biologie. Ce n'est que récemment que nous avons commencé à essayer d'enregistrer avec précision leur parcours réel, avec un succès modéré. Cependant, des physiciens de Cracovie ont prouvé qu'une nouvelle fenêtre sur le monde de l'attophysique peut être construite, offrant une vue très prometteuse.

Que ce soit dans les profondeurs d'une cellule ou à l'intérieur d'un tube à essai, les réactions chimiques impliquant des modifications de la configuration des électrons dans les atomes et les molécules se produisent à une vitesse remarquable. Leur prévalence et leur importance suscitent la curiosité compréhensible des scientifiques, qui ont longtemps essayé d'enregistrer leur évolution dans le temps. Les méthodes actuelles utilisant des rayons X, développées jusqu'à présent pour observer des phénomènes d'une durée de quelques attosecondes, sont confrontées à des exigences élevées sur les paramètres du faisceau de rayonnement utilisé. La situation devrait s'améliorer dans les années à venir grâce à une nouvelle méthode de mesure proposée par un groupe de scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie.

Suivre le cours des phénomènes aussi rapidement que la liaison des atomes en molécules est désormais possible principalement grâce aux lasers à rayons X à électrons libres (XFEL). Ces appareils, qui ne fonctionnent que dans quelques endroits dans le monde en raison de leur taille et de leurs coûts de construction, génèrent des impulsions de rayons X ultra-courtes, d'une durée de quelques femtosecondes.

Les centres équipés de lasers XFEL utilisent deux techniques de mesure de base appelées spectroscopie des rayons X et diffraction des rayons X. Le premier se concentre sur l'analyse des changements du spectre de rayonnement lors de son interaction avec l'échantillon, tandis que le second étudie la façon dont les rayons X se diffusent sur l'échantillon. Les deux méthodes ont la même limitation :elles ne nous permettent pas de « voir » les processus plus courts que la durée de l'impulsion. C'est pourquoi les phénomènes les plus rapides observés jusqu'à présent au laser européen XFEL près de Hambourg, par exemple, ont duré 5 femtosecondes.

"Quelques femtosecondes, ce n'est pas très long, mais ce n'est pas encore le monde de l'attophysique. Pour en arriver là, nous nous sommes tournés vers la chronoscopie, c'est-à-dire une technique qui analyse comment les impulsions changent de forme dans le temps. Nous avons montré théoriquement que cette méthode peut être utilisée avec succès pour les impulsions de rayons X ultracourtes afin d'obtenir des informations sur les changements de forme des impulsions avant et après l'interaction avec l'échantillon », déclare le Dr Wojciech Blachucki (IFJ PAN), premier auteur de l'article dans Sciences appliquées .

Dans cette publication, il est montré que dans le cas d'impulsions laser ultra-courtes, il est possible de mesurer leur structure temporelle, c'est-à-dire d'obtenir des informations sur la forme de l'impulsion. Cette approche permet potentiellement d'inférer des phénomènes du monde de l'attophysique même à l'état actuel du développement technique des XFEL. Si l'impulsion laser devait durer ne serait-ce que 20 femtosecondes, mais que l'information sur sa structure temporelle pouvait être reconstruite, disons, en 100 points, il serait possible de remarquer des phénomènes se produisant à un temps de 20/100 =1/5 femtoseconde, c'est-à-dire , 200 attosecondes.

Il est important de noter qu'à l'heure actuelle, une résolution temporelle inférieure à la femtoseconde pouvait parfois être atteinte, mais l'intensité du faisceau laser devait être considérablement réduite. Cette procédure a des effets secondaires puissants. La durée d'irradiation des échantillons est allongée à plusieurs heures, ce qui rend pratiquement impossible la réalisation d'études appliquées. La chronoscopie à rayons X n'a ​​pas cette limitation et supprime les exigences pour les impulsions de rayonnement en utilisant une méthode sensible de mesure de leur structure temporelle. Après sa mise en place, les centres laser actuels pourraient consacrer une partie de leur temps de travail à des mesures attosecondes réalisées pour des entités externes, par exemple en lien avec l'industrie.

Cependant, il faudra plusieurs années avant que la chronoscopie par rayons X ne devienne une technique de recherche standard. La première étape vers sa mise en œuvre sera de démontrer que les durées moyennes de l'impulsion laser avant et après interaction avec l'échantillon sont différentes. Ce serait une confirmation expérimentale de la justesse de la méthode décrite par les physiciens basés à Cracovie. Ce n'est qu'à l'étape suivante que les chercheurs se concentreront sur une reconstruction plus précise de la structure temporelle des impulsions avant et après le contact avec l'échantillon.

"La technique de mesure que nous proposons n'est pas limitée aux seuls lasers à électrons libres, mais est de nature universelle. Ainsi, elle peut être utilisée avec succès également dans le cas d'autres sources générant des impulsions de rayons X ultra-courtes, telles que l'Extreme Light Installation d'infrastructure située près de Prague », souligne le Dr Jakub Szlachetko (IFJ PAN). + Explorer plus loin

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