Une spectroscopie X avec une résolution au niveau des atomes et de la femtoseconde
Les lasers à électrons libres à courte longueur d'onde peuvent produire un rayonnement X cohérent avec une intensité sans précédent. Ils disposent d'une résolution spatiale élevée, mais pour l'associer avec les impulsions ultra-courtes requises par la caractérisation 4D (3 dimensions d'espace plus le temps), il faut contrôler la structure et la durée des impulsions X. Les scientifiques du projet SIXPAC & T-REX (Single-shot X-ray pulse duration acquisition (SiXPAc) & time-resolved X-ray spectroscopy on molecules (T-ReX)), financé par l'UE, ont conçu une méthode pour récupérer ces informations. Ils ont mis au point une méthode non invasive pour caractériser des impulsions X avec une résolution inférieure à la femtoseconde. Pour mesurer la durée d'impulsions d'un laser à électrons libres, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie à balayage de fente dans l'infrarouge proche. Dans cette technique bien établie, un laser dans l'infrarouge proche interfère avec un faisceau de rayons X traversant du néon dilué. Le rayonnement du laser à électrons libres ionise les atomes du gaz, et les photoélectrons générés sont détectés par un spectromètre électronique à bouteille magnétique. Cette nouvelle technique permet pour la première fois de mesurer directement la durée d'impulsions X femtoseconde avec une précision de quelques centaines d'attosecondes, indépendamment de l'énergie des photons. La configuration expérimentale est décrite en détail dans un article(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) publié par la prestigieuse revue à comité de lecture Nature Photonics. La technique a pu être testée grâce à l'accès à du temps de faisceau du LCLS (Linac Coherent Light Source). Le LCLS, qui fait partie du SLAC National Accelerator Laboratory, est exploité par l'université Stanford pour le compte du Department of Energy des États-Unis. Il s'agit du plus puissant laser X à électrons libres au monde, c'était donc l'instrument idéal pour les expériences. Les chercheurs ont aussi mis au point une technique pour mesurer l'irrégularité temporelle entre deux impulsions spontanées et auto-amplifiées du laser à électrons libres, stochastique par nature. La précision femtoseconde de cette méthode facilitera davantage le contrôle temporel relatif de l'impulsion UV de pompage qui sert à déclencher les réactions des molécules, et de l'impulsion X de sondage. Ayant posé les bases de leur méthode, les chercheurs ont commencé les expériences de pompage UV et sondage X au LCLS. Les experts de l'équipe SIXPAC & T-REX comptent arriver à une imagerie 4D de la dynamique d'ionisation en eau liquide, ouvrant la voie à une nouvelle ère d'études en biologie et en sciences des matériaux.
