Éclairer de minuscules plateaux de cinéma avec les rayons X les plus intenses au monde

Crédit : Marilyn Chung/Berkeley Lab ; extrait de SLAC/Flickr

Le LCLS-II, une mise à niveau du LCLS, le premier laser à rayons X durs à électrons libres au monde, est en cours de construction en Californie. Ici, les scientifiques travaillent avec une partie du canon à électrons LCLS-II.

En 2009, la source de lumière cohérente du Linac a allumé son laser pour émettre la lumière à rayons X la plus intense que le monde ait jamais vue. En agitant des électrons entre une bande d’aimants de 130 mètres, la machine, qui se trouve près du campus de Stanford en Californie, produit des rayons X en impulsions fugaces, d’une durée de chaque quadrillionième de seconde. Une seule impulsion peut créer une lumière 100 fois plus intense que la lumière que vous obtiendriez si toute la lumière du soleil frappant la Terre était concentrée sur une vignette.

Le LCLS a été le premier de ce qu’on appelle les lasers à électrons libres à rayons X, ou XFEL. D’autres pays ont depuis construit des XFEL du même acabit : au Japon en 2012, en Corée du Sud en 2016 et en Allemagne en 2017. Tous, comme LCLS, font des kilomètres de long et coûtent environ un milliard de dollars à construire.

Lorsque les scientifiques se sont réunis à Orlando lors de la réunion d’une semaine de cette année de la Division de physique atomique, moléculaire et optique (DAMOP), organisée par l’American Physical Society, la recherche aux XFEL a eu beaucoup de temps sous les projecteurs.

Les grands lasers s’accompagnent de grandes ambitions : les chercheurs utilisent les XFEL pour mieux comprendre le comportement d’une seule molécule et les réactions chimiques, qui pourraient façonner des domaines allant de la physique à la science des matériaux et à la biologie.

Parce qu’ils peuvent pénétrer dans des matériaux denses, ces rayons X de haute intensité peuvent voir à l’intérieur et même altérer la structure microscopique des objets opaques à la lumière optique. Par exemple, les chercheurs ont utilisé des impulsions XFEL lumineuses pour créer et étudier des plasmas, dans le but de mieux comprendre les planètes et les étoiles.

La courte longueur d’onde des rayons X permet également une imagerie à haute résolution. Les impulsions courtes des rayons X fonctionnent comme un obturateur de caméra extrêmement rapide : elles déclenchent des réactions chimiques, puis prennent des « instantanés » d’électrons se déplaçant autour des molécules, créant ce que les scientifiques appellent des « films moléculaires ». Certains chercheurs ont utilisé cette technique pour étudier la photosynthèse au niveau atomique.

Les films contiennent plus que de simples informations visuelles. Thorsten Weber du Lawrence Berkeley National Laboratory étudie la microscopie réactionnelle, une technique dans « son adolescence », dit Weber. Il utilise la technique pour « filmer » un film d’une molécule en train de se désagréger tout en mesurant simultanément les angles et les énergies cinétiques des particules éjectées. Les XFEL permettent également d’étudier simultanément les ions et les électrons dans une réaction, explique Weber. Avant les XFEL, les scientifiques étudiaient séparément le comportement des électrons et le comportement des ions, car les ions sont plus de mille fois plus lourds que les électrons.

Lors d’une présentation lors de la réunion DAMOP, Weber a souligné l’un des défis de l’utilisation des XFEL pour les films moléculaires : le temps. Pour réaliser un film, un chercheur envoie une impulsion de rayons X sur la molécule d’intérêt, déclenchant une réaction chimique. Ensuite, une seconde impulsion illumine la molécule pour l’imagerie. Mais les XFEL actuels ne produisent que des impulsions jusqu’à des milliers de fois par seconde. Cela peut sembler rapide, mais le chercheur doit déclencher la réaction des millions de fois, donc cela peut prendre des jours pour faire un film. Avec autant de chercheurs dans le monde qui se disputent le temps d’utiliser ces machines, ce rythme est un défi.

Mais que se passerait-il si le rayon X qui déclenche la réaction chimique et le rayon X qui l’éclaire pouvaient être déclenchés dans la même impulsion ? Weber a présenté une méthode pour garder le temps dans ce cas, pour suivre le moment où le mouvement a lieu. La technique réduirait le temps qu’un chercheur a besoin au laser pour faire un film.

Maintenant, Weber travaille à combiner la lumière à rayons X avec un laser ultraviolet. Dans cette configuration, les chercheurs feraient d’abord briller une lumière UV à faible énergie sur une molécule avant de l’imager avec des rayons X. L’éclairage UV initial imiterait plus étroitement la façon dont la lumière du soleil interagit avec les organismes, tandis que les rayons X fourniraient une résolution d’imagerie élevée.

Linda Young du Laboratoire national d’Argonne a présenté des travaux au DAMOP liés à l’étude et au contrôle des impulsions de rayons X elles-mêmes. Le XFEL produit un spectre pointu et bruyant que les chercheurs doivent mesurer avant les expériences. Cependant, cette mesure est difficile, car elle oblige généralement le chercheur à détourner les rayons X avec des séparateurs de faisceau solides qui ne tolèrent pas bien les hautes intensités. Dans une étude récente, son équipe a mis au point un moyen de mesurer le spectre avec un séparateur de faisceau en gaz néon en utilisant une technique appelée imagerie fantôme.

L’équipe de Young a également utilisé l’installation XFEL en Allemagne pour étudier les interactions entre les rayons X et le gaz néon. Lorsqu’une impulsion de rayons X frappe le néon, elle émet de la lumière, et cette lumière modifie à son tour le spectre de l’impulsion de rayons X. Ce spectre sortant révèle des informations sur la structure électronique des atomes de néon. Alors que le néon a une structure simple, Young dit que ces études les aideront à étudier des molécules plus complexes à l’avenir. Elle prévoit également d’étudier les effets de l’interaction des rayons X et du néon sur la forme de l’impulsion au fil du temps.

Comme les XFEL ont un peu plus de dix ans, des chercheurs comme Weber et Young cherchent encore toutes les façons de les utiliser et ils auront bientôt un nouveau jouet à espérer. La construction du LCLS-II, une mise à niveau du LCLS, devrait être achevée d’ici la fin de l’année. Ce nouveau XFEL sera capable de produire jusqu’à un million d’impulsions par seconde, par rapport aux 120 impulsions par seconde de son prédécesseur.

Pour les chercheurs, avoir plus de machines fera une grande différence. « Cela nous donne l’opportunité d’aller vraiment systématiquement à la recherche de la compréhension nécessaire pour nos expériences de rêve », déclare Young.

Sophia Chen est une écrivaine basée à Columbus, Ohio.