Le SLAC mesure des rayons X durs sous les 400 attosecondes

Au Linac Coherent Light Source du SLAC, un faisceau de rayons X de haute énergie est scindé en deux. Une moitié part directement vers un détecteur qui enregistre son spectre énergétique. L'autre est focalisée sur un point large de 150 nanomètres sur une feuille de cuivre, qui émet une lumière de fluorescence. Lues ensemble, les deux mesures permettent à l'équipe de calculer la durée de l'impulsion : entre 100 et 400 attosecondes, pour des énergies d'environ 9 keV.

Produire une telle impulsion est difficile, la mesurer l'est encore davantage. Ichiro Inoue, professeur à l'université de Tokyo et premier auteur de l'étude, a proposé la technique indirecte fondée sur l'émission spontanée amplifiée, un processus d'émission de lumière. Agostino Marinelli, professeur au SLAC et coauteur de l'étude, explique que l'équipe a passé plusieurs années à apprendre à créer ces impulsions attosecondes de haute énergie, et que les mesurer est bien plus ardu encore. Le nouveau diagnostic est le premier à montrer que ces impulsions ne durent réellement que quelques centaines d'attosecondes. La méthode étend aussi la science attoseconde jusqu'à environ 9 keV, un ordre de grandeur au-delà des expériences antérieures sur rayons X mous, qui fonctionnaient en dessous de 5 keV.

Si l'on monte en énergie, c'est pour la profondeur. Les rayons X mous, de plus faible énergie, conviennent bien aux liaisons chimiques de la couche externe d'un atome. Les rayons X durs, au-delà de 5 keV, pénètrent la matière dense, ce qui permet aux scientifiques de localiser les électrons avec une précision atomique. Sam Vinko, physicien à l'université d'Oxford, décrit le problème habituel avec les plasmas : l'échantillon est excité, puis se relâche et se recombine avant qu'une mesure puisse être effectuée, si bien que les chercheurs s'appuient souvent sur des modèles et des hypothèses. Les scientifiques peuvent désormais cibler des systèmes extrêmes, comme ceux des expériences de fusion par confinement inertiel, et saisir les états à cœur excités avant qu'ils ne s'estompent ou n'évoluent.

Les rayons X détruisent souvent les échantillons délicats qu'ils sondent. Ces éclairs s'achèvent avant que tout dommage ou toute dégradation ne se produise : les chercheurs peuvent donc photographier un système dans son état intact. Tais Gorkhover, de l'université de Hambourg, estime que cette capacité pourrait améliorer l'imagerie à l'échelle nanométrique et, à terme, aider à contrôler, voire à inverser, les interactions lumière-matière.

Les premiers bénéficiaires sont ceux qui utilisent déjà ces éclairs, les scientifiques qui suivent le mouvement des électrons dans les atomes et les plasmas denses, ainsi que les chercheurs en énergie de fusion dont les expériences sont citées comme cibles. Pour eux, le changement est concret : un obturateur plus rapide que la désintégration atomique, avec l'échantillon laissé intact. L'étude ne donne aucune date pour un accès plus large à ces impulsions et ne précise pas quand d'autres installations pourraient reproduire la mesure.