Compact x

Lorsque le premier laser à rayons X à électrons libres (XFEL) a ouvert ses portes en 2009 au SLAC National Accelerator Laboratory en Californie, il a fourni une nouvelle façon de voir le monde à l'échelle atomique, révélant des détails sur les processus biochimiques tels que la photosynthèse et les matériaux exotiques tels que les supraconducteurs. Mais depuis lors, seules quatre autres installations de ce type, d'un milliard de dollars, ont été construites dans le monde, et il est difficile de gagner du temps.

Un groupe de chercheurs de l'Arizona State University (ASU), Tempe, prévoit maintenant de construire un nouveau type de laser à électrons libres, considérablement plus petit et moins cher que tout ce qui a précédé. Ce mois-ci, l'ASU a annoncé qu'elle se lancerait dans le projet CXFEL (Compact X-ray Free Electron Laser) de 170 millions de dollars après avoir reçu une subvention de 91 millions de dollars de la National Science Foundation. La conception pourrait mettre les machines à la portée des laboratoires universitaires et étendre leur accessibilité.

"C'est une idée élégante", déclare Claudio Pellegrini, physicien au SLAC qui a proposé pour la première fois son XFEL en 1992. "Tout le monde aimerait faire un système plus petit."

Les XFEL sont d'excellentes sondes du monde atomique car les rayons X à courte longueur d'onde peuvent résoudre des détails qui seraient invisibles à une lumière à plus grande longueur d'onde. De plus, les courtes impulsions de rayons X femtosecondes fonctionnent comme une caméra à grande vitesse, aidant les chercheurs à capturer des processus ultrarapides tels que le mouvement des électrons et des atomes.

Pour atteindre une telle résolution spatiale et temporelle suprême, un XFEL standard nécessite un accélérateur linéaire d'un kilomètre de long. Il amplifie les électrons jusqu'à des énergies de 10 gigaélectronvolts (GeV), soit 99,9999995 % de la vitesse de la lumière. Ensuite, les électrons traversent des "ondulateurs" - une série d'aimants disposés en polarité alternée. Les électrons émettent des rayons X lorsqu'ils se tortillent dans les champs magnétiques. Les interactions entre la lumière et les électrons font que les électrons se regroupent et rayonnent de concert comme un laser.

L'équipe de l'ASU prévoit de remplacer les onduleurs magnétiques volumineux par un laser qui brillera directement dans le train d'électrons venant en sens inverse. Le laser, comme toutes les émissions électromagnétiques, est associé à un champ magnétique, explique Bill Graves, physicien de l'ASU et scientifique en chef du CXFEL. "Lorsque les électrons rencontrent le laser, ils se tortillent comme ils le font dans un onduleur." Mais là où la polarité des champs de l'onduleur alterne sur quelques centimètres, le champ du laser oscille avec la longueur d'onde de la lumière - seulement 1 micromètre.

Cet onduleur à ultra-haute fréquence permet de faire bouger les électrons et d'émettre des rayons X à des énergies beaucoup plus faibles. Il suffit de les accélérer à seulement 30 mégaélectronvolts, un exploit beaucoup plus facile que les 10 GeV nécessaires dans un XFEL standard. Cela réduit considérablement l'empreinte du XFEL, la ramenant de 1 kilomètre à seulement 10 mètres.

Avec un faisceau d'électrons à faible énergie, l'équipe peut utiliser des diffracteurs à cristaux et des aimants pour modeler finement les électrons en paquets serrés. Les électrons regroupés se tortillent de manière plus synchrone les uns avec les autres et, par conséquent, produisent une lumière X plus cohérente. Le regroupement se traduit également par une impulsion plus courte de moins d'une femtoseconde.

De telles impulsions courtes pourraient potentiellement révéler la façon dont les molécules de chlorophylle captent la lumière du soleil pendant la photosynthèse, explique Petra Fromme, biochimiste de l'ASU et membre de l'équipe CXFEL. "Nous pouvons regarder des choses que personne n'a vues auparavant."

Sam Teitelbaum, un physicien de l'ASU, prévoit d'utiliser CXFEL comme sonde sensible du comportement des électrons dans les matériaux, ce qui peut produire une foule de phénomènes inexpliqués, de la supraconductivité à haute température aux états magnétiques exotiques. Les leçons apprises pourraient inspirer de nouveaux matériaux supraconducteurs ou des dispositifs de stockage de données plus fiables.

Bien que le nouvel appareil ait des impulsions rapides et cohérentes, il n'aura pas le même punch qu'un XFEL standard. Ses impulsions sont beaucoup moins lumineuses et les photons de rayons X individuels ont des longueurs d'onde plus longues que celles de ses prédécesseurs plus grands. Cela signifie que le CXFEL manquera certains des détails les plus infimes que les plus grands XFEL peuvent voir. D'autre part, les impulsions d'énergie plus faible causeront moins de dommages aux échantillons qui sont généralement effacés par les installations plus grandes.

"Les grosses machines, elles sont comme un marteau", dit Graves. "Nous sommes plus comme un scalpel."

Pellegrini reste prudent face à un projet aussi ambitieux. En particulier, dit-il, le plan de l'équipe pour façonner les impulsions d'électrons n'a pas encore été démontré. "Avant de le vendre en tant que XFEL, il y a beaucoup de travail à faire."

Pourtant, les chercheurs à l'origine du projet sont optimistes. Ils ont déjà commencé à construire CXFEL et prévoient de l'exploiter dans 5 ans. "Chaque fois que vous pouvez voir les choses bouger plus vite, vous aurez une idée de la dynamique du monde à cette échelle de temps", déclare Teitelbaum. "Il va certainement y avoir un problème qui va être totalement brisé par ce fait."