Résumé :
L'équipe de recherche européenne XFEL (European XFEL) a annoncé avoir généré avec succès un flash à rayons X durs ultra-court d'une durée d'environ 300 attosecondes seulement, et établi un record mondial pour de telles impulsions en termes d'intensité et de densité d'énergie. Ce résultat devrait aider les scientifiques à observer le comportement dynamique des électrons à l’intérieur des atomes et des molécules avec une précision sans précédent. Les résultats de recherche pertinents ont été publiés dans "Optica".
Les scientifiques espèrent depuis longtemps comprendre le mouvement des électrons dans les atomes et les molécules, afin de mieux comprendre les réactions chimiques et même de parvenir à un contrôle actif du comportement des électrons à l'avenir. Les rayons X sont un outil important pour étudier le mouvement des électrons, mais le rayonnement à haute énergie lui-même peut également modifier l'échantillon testé. Les chercheurs doivent donc obtenir suffisamment d'informations avant que des changements notables ne se produisent dans l'échantillon.
Dans cette expérience, l'équipe de recherche a concentré les impulsions de rayons X sur une zone extrêmement petite, qui correspond à environ un cent millième de la section transversale d'un cheveu humain ordinaire. Chaque impulsion dure environ 300 attosecondes, soit seulement un milliardième de milliardième de seconde. L’expérience s’est achevée en avril 2026 à la station expérimentale MID de l’installation européenne XFEL, en utilisant des rayons X durs de longueurs d’onde extrêmement courtes.
Yan Jiawei, un scientifique du Centre allemand de synchrotron électronique (DESY) qui a participé à la recherche, a déclaré que l'équipe avait démontré il y a quelques années des impulsions attosecondes de rayons X durs de l'ordre du térawatt, mais que la génération d'impulsions fortes n'est que la première étape. Ce qui est vraiment important, c’est de pouvoir délivrer efficacement cette énergie à l’échantillon expérimental. Grâce à cette avancée, les scientifiques ont pu utiliser les rayons X de niveau attoseconde pour étudier l'interaction hautement non linéaire entre les rayons X et la matière.
Afin d'obtenir une mise au point extrême, les chercheurs ont utilisé un système optique avancé Kirkpatrick-Baez (AKB) du Japon. Chaque impulsion de rayons X subit quatre réflexions, avec deux miroirs de très haute précision responsables respectivement de la focalisation verticale et horizontale. En fin de compte, les rayons X sont compressés dans une minuscule zone focale de seulement 180 x 330 nanomètres.
Sur la base de calculs d'énergie d'impulsion, de durée et de taille de foyer, l'équipe de recherche a estimé que son intensité maximale dépassait 10²⁰W par centimètre carré. Ichiro Inoue, chercheur à l'Université de Tokyo, a déclaré que ce résultat bat le record mondial des impulsions attosecondes de rayons X durs en termes d'intensité et de flux d'énergie. Parmi eux, le flux d’énergie est utilisé pour mesurer l’énergie reçue par unité de surface, tandis que l’intensité reflète en outre la rapidité avec laquelle cette énergie est libérée.
Pour vérifier ce calcul, les chercheurs ont irradié ces impulsions ultra-intenses sur des échantillons de feuilles de cuivre. Les rayons X éliminent les électrons de la couche interne profonde des atomes de cuivre, formant ainsi des lacunes électroniques. Lorsque d’autres électrons remplissent ces espaces vides, un nouveau rayonnement X est libéré. À une intensité suffisamment élevée, ces rayonnements peuvent inciter d’autres atomes de cuivre excités à émettre davantage de rayons X dans la même direction, créant ainsi un phénomène connu sous le nom d’émission spontanée amplifiée (ASE), permettant d’amplifier le signal.
Anders Madsen, directeur de la station expérimentale MID, a déclaré que l'observation de ce phénomène était presque magique. La fluorescence normale émet dans toutes les directions, quelle que soit la direction du faisceau incident ; lorsque le seuil ASE est dépassé, les chercheurs peuvent clairement voir le faisceau se rétrécir progressivement et se concentrer vers l’avant.
Les résultats expérimentaux montrent qu'à mesure que l'énergie de l'impulsion augmente, le signal ASE augmente initialement rapidement, puis tend à saturer à des énergies plus élevées. Les chercheurs ont souligné que ce phénomène de saturation ne se produit qu’à des intensités de rayons X extrêmement élevées, permettant ainsi une vérification indépendante des intensités ultra-élevées précédemment calculées.
Le XFEL européen prévoit de recevoir et d'installer son propre système de focalisation AKB début 2027. Les chercheurs ont déclaré qu'une fois le système installé et débogué, les équipes de recherche scientifique du monde entier pourront utiliser la station expérimentale MID pour obtenir le même flash à rayons X court et puissant, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour la physique ultrarapide, la science des matériaux, la cinétique des réactions chimiques et la recherche scientifique aux rayons X non linéaires.
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