Dans des recherches antérieures, les chercheurs ont développé un moyen de produire des sursauts laser à rayons X d’une durée de plusieurs centaines d’attosecondes (ou milliardièmes de milliardième de seconde). Cette méthode, appelée génération d'impulsions attosecondes améliorées par laser à rayons X (XLEAP), permet aux scientifiques d'étudier comment les électrons circulant autour des molécules relancent des processus clés en biologie, en chimie, en science des matériaux et bien plus encore.

Aujourd'hui, dirigée par les scientifiques du SLAC Agostino Marinelli et James Cryan, l'équipe a développé de nouveaux outils pour utiliser ces impulsions attosecondes de manière révolutionnaire :la première utilisation d'impulsions attosecondes dans des expériences pompe-sonde et la production des impulsions attosecondes de rayons X les plus puissantes. jamais signalé. Les expériences, menées au laser à électrons libres à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC et publiées dans deux articles dans Nature Photonics , pourrait révolutionner des domaines allant de la chimie à la science des matériaux en offrant un aperçu des mouvements les plus rapides à l'intérieur des atomes et des molécules.

Une nouvelle méthode de mesure des phénomènes ultrarapides

Dans le premier développement, les chercheurs ont introduit une nouvelle approche pour mener des expériences « pompe-sonde » avec des impulsions de rayons X attosecondes. Ces expériences, visant à mesurer des événements ultrarapides inférieurs à un billionième de seconde, impliquent d'exciter des atomes avec une impulsion de « pompe », puis de les sonder avec une seconde impulsion pour observer les changements qui en résultent.

Cette technique a permis aux scientifiques de suivre et de mesurer le mouvement des électrons au sein des atomes et des molécules, un processus critique influençant les réactions chimiques, les propriétés des matériaux et les fonctions biologiques. Ils y sont parvenus en générant des paires d'impulsions laser de deux couleurs et en contrôlant méticuleusement le délai entre elles jusqu'à 270 attosecondes.

"Cette capacité ouvre de nouvelles opportunités pour étudier l'interaction de la lumière avec la matière au niveau le plus fondamental", a déclaré Cryan. "C'est passionnant car il est devenu un outil pratique, nous permettant d'observer la dynamique des électrons qui était autrefois hors de notre portée. Nous observons maintenant des processus qui se produisent à des échelles de temps proches du temps nécessaire à la lumière pour traverser une molécule."

Dans un article récent, des chercheurs ont utilisé cette technique pour observer les électrons se déplaçant en temps réel dans l’eau liquide. Des études futures appliqueront cette méthode à divers systèmes moléculaires, affinant la précision de ces mesures et élargissant leur application à plusieurs disciplines scientifiques.

Création d'impulsions attosecondes de haute puissance

Le deuxième développement s'est concentré sur la génération d'impulsions attosecondes de haute puissance à l'aide d'une technique connue sous le nom de « super-radiance », atteignant des niveaux de puissance de près d'un térawatt. Ce processus impliquait un effet en cascade dans un laser à électrons libres à rayons X, amplifiant considérablement la puissance des impulsions.

L'intensité accrue de ces impulsions permet aux scientifiques d'explorer des états uniques de la matière et d'être témoins de phénomènes se produisant à des échelles de temps encore plus courtes.

"Ce sont les impulsions de rayons X attosecondes les plus puissantes jamais rapportées. L'intensité de ces impulsions nous permet d'explorer des régimes entièrement nouveaux de la science des rayons X", a déclaré Marinelli. "Nous avons repoussé les limites de l'énergie des impulsions de rayons X, atteignant des niveaux de puissance qui ouvrent de nouveaux domaines expérimentaux. Ce résultat a été obtenu grâce à un type spécial d'onde qui conserve sa forme et sa vitesse lorsqu'elle se propage à travers le paquet d'électrons, de façon spectaculaire. améliorant l'intensité et l'énergie de nos impulsions. "

Les chercheurs prévoient d'affiner davantage cette technologie pour améliorer la stabilité et le contrôle de ces impulsions de haute puissance, dans le but d'élargir leur application dans divers domaines scientifiques.

Propulser l'exploration scientifique vers l'avant

Ces développements repoussent les limites de nos capacités d'observation et de mesure, ouvrant la voie à de futures percées scientifiques qui pourraient transformer notre compréhension du monde naturel.

L'observation des atomes et des électrons en mouvement facilite la conception de nouveaux matériaux dotés de propriétés adaptées à la technologie, à l'énergie et à d'autres domaines. Comprendre le mouvement des électrons au cours des réactions chimiques peut également faciliter les principes de conception chimique intelligente.

"Ces études approfondissent non seulement notre compréhension de la physique, mais ouvrent également la voie à de futures innovations qui pourraient transformer notre compréhension des processus pilotés par les électrons", a déclaré Cryan. "Chaque impulsion attoseconde que nous générons offre un nouvel aperçu des éléments constitutifs de la nature, dévoilant des dynamiques auparavant cachées. Nous prévoyons de nombreuses autres découvertes passionnantes à venir."