Des physiciens du SLAC mesurent des impulsions record de rayons X durs sous les 400 attosecondes

MENLO PARK, Calif. — Les physiciens exploitant la Linac Coherent Light Source au SLAC National Accelerator Laboratory, en Californie, ont généré et mesuré les impulsions de rayons X de haute énergie les plus courtes jamais enregistrées sur un laser à électrons libres à rayons X, atteignant des durées inférieures à 400 attosecondes. Cette mesure établit un nouveau seuil opérationnel pour les installations de lasers à électrons libres à travers le monde, comprimant la durée des bouffées de photons de haute énergie à une échelle capable de capturer les processus électroniques les plus rapides de la matière.

## Key facts

- Des physiciens de la Linac Coherent Light Source (LCLS) ont mesuré des impulsions de rayons X durs d'une durée inférieure à 400 attosecondes, enregistrant la largeur d'impulsion la plus rapide jamais documentée sur un laser à électrons libres à rayons X (XFEL). - Une attoseconde représente un quintillionième de seconde ($10^{-18}$ seconds), le régime temporel qui régit le mouvement des électrons des couches internes au sein des atomes et des molécules. - Cette réalisation concerne les rayons X durs — des photons de haute énergie aux longueurs d'onde courtes, capables de pénétrer des matériaux denses et de résoudre des structures spatiales à l'échelle atomique. - Les expériences ont été menées au SLAC National Accelerator Laboratory à Menlo Park, en Californie, une installation financée par le United States Department of Energy et exploitée par Stanford University. - Cette étape majeure s'appuie sur des techniques progressives de compression d'impulsions développées dans les installations mondiales de lasers à électrons libres pour surmonter les barrières expérimentales de l'échelle femtoseconde.

## What happened

Selon les informations de la journaliste scientifique Mrigakshi Dixit, des équipes expérimentales utilisant la Linac Coherent Light Source (LCLS) ont réussi à la fois à synthétiser et à caractériser directement des impulsions de rayons X durs d'une durée inférieure à 400 attosecondes. Les rayons X durs fonctionnent à des énergies photoniques dépassant généralement 5 à 10 kiloelectronvolts, caractérisées par des longueurs d'onde de l'ordre de l'angström qui correspondent aux distances interatomiques dans les réseaux chimiques.

Dans un laser à électrons libres à rayons X, des éclairs de lumière sont produits en accélérant des paquets d'électrons à des vitesses relativistes — proches de la vitesse de la lumière — à travers un accélérateur de particules linéaire d'un kilomètre. Ces paquets d'électrons accélérés sont ensuite guidés à travers des ondulateurs, des réseaux périodiques d'aimants permanents alternés. Lorsque les électrons traversent cette structure magnétique, ils oscillent selon une trajectoire ondulée, émettant un rayonnement synchrotron. Par un processus appelé émission spontanée auto-amplifiée (SASE), la lumière émise rétroagit sur le paquet d'électrons, organisant ces derniers en minuscules micropaquets espacés à la longueur d'onde des rayons X. Ce regroupement provoque l'amplification exponentielle du rayonnement en une impulsion laser cohérente et d'une intensité extrême.

Historiquement, les opérations SASE standard produisaient des impulsions durant plusieurs dizaines de femtosecondes (une femtoseconde équivaut à 1,000 attosecondes). Pour pénétrer dans le domaine de l'attoseconde, les physiciens des accélérateurs déploient des techniques spécialisées de mise en forme du faisceau d'électrons, comme l'utilisation de lasers optiques de haute puissance pour moduler une tranche localisée du paquet d'électrons, conjointement à des chicanes magnétiques à fentes qui éliminent tout à l'exception d'une infime fraction de la charge micropaquettée.

Générer un éclair de rayons X durs attoseconde ne représente que la moitié du défi technique ; le mesurer constitue un obstacle tout aussi redoutable. Les photodétecteurs conventionnels fonctionnent à des échelles nanoseconde ou picoseconde et ne peuvent pas résoudre des événements séparés par des quintillionièmes de seconde. Pour confirmer le seuil inférieur à 400 attosecondes, le groupe de recherche a dû mettre en œuvre des méthodes de diagnostic ultrarapides, utilisant généralement le streaking angulaire ou des spectromètres d'électrons à haute résolution pour reconstruire le profil temporel des rayons X à partir de photoélectrons secondaires éjectés d'un gaz cible.

## Why it matters

La capacité de produire des impulsions de rayons X durs sous les 400 attosecondes résout un compromis physique de longue date entre résolution spatiale et temporelle en dynamique moléculaire. Dans la nature, les mouvements des noyaux atomiques se produisent principalement à l'échelle de la femtoseconde, ce qui correspond aux vibrations des liaisons chimiques et aux réarrangements moléculaires. Cependant, les électrons qui régissent ces liaisons se déplacent considérablement plus vite, gouvernés par l'échelle attoseconde. Un électron orbitant autour du noyau d'un atome d'hydrogène, par exemple, met environ 151 attosecondes pour accomplir une seule orbite.

Jusqu'à récemment, la science attoseconde était largement confinée aux systèmes laser de table à génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG). Si les systèmes HHG produisent couramment des impulsions attosecondes, ils génèrent principalement des photons d'extrême ultraviolet (EUV) ou de rayons X mous de faible énergie. Ces photons de plus basse énergie ne disposent pas de la profondeur de pénétration ni des longueurs d'onde de l'ordre de l'angström requises pour distinguer les positions atomiques individuelles au sein de molécules complexes ou de matériaux à l'état solide.

Les rayons X durs générés par un XFEL résolvent ce problème en combinant une résolution spatiale subatomique à une durée attoseconde. Obtenir des impulsions inférieures à 400 attosecondes permet aux biologistes structuraux, aux physiciens de l'état solide et aux spécialistes des matériaux de concevoir des expériences pompe-sonde pour suivre en temps réel la migration des électrons de couches internes. Dans de telles expériences, une impulsion laser initiale déclenche une réaction chimique ou une transition électronique, puis une impulsion synchronisée de rayons X durs de moins de 400 attosecondes capture un instantané de la configuration de charge résultante avant que les noyaux atomiques environnants n'aient le temps de bouger.

Cette capacité a des répercussions immédiates sur l'étude des dommages par irradiation, les performances des semi-conducteurs, les matériaux quantiques et la photosynthèse artificielle. Comprendre la manière dont la charge se déplace à travers les molécules en une fraction de femtoseconde est fondamental pour concevoir des cellules solaires plus efficaces, prévenir la dégradation structurelle des composants électroniques exposés aux radiations et contrôler les réactions chimiques catalytiques au niveau le plus fondamental.

## The background

La quête d'impulsions lumineuses plus courtes a défini l'optique ultrarapide pendant plus de cinq décennies, évoluant des lasers à rubis picoseconde dans les années 1960 aux lasers titane-saphir femtoseconde dans les années 1980 et 1990. La frontière attoseconde s'est officiellement ouverte au tournant du XXIe siècle, lorsque des chercheurs ont démontré que la focalisation d'impulsions laser infrarouges intenses dans des gaz nobles pouvait produire des bouffées de rayonnement d'harmoniques d'ordre élevé mesurées en centaines d'attosecondes. Ces travaux pionniers ont conduit à l'attribution du prix Nobel de physique 2023 à Pierre Agostini, Ferenc Krausz et Anne L’Huillier pour le développement de méthodes expérimentales générant des impulsions attosecondes pour l'étude de la dynamique électronique.

Parallèlement aux progrès des lasers de table, la communauté internationale des accélérateurs de particules a développé des sources lumineuses à grande échelle. En 2009, SLAC a lancé la première Linac Coherent Light Source, convertissant une section d'un kilomètre de son accélérateur linéaire radiofréquence historique de trois kilomètres en premier laser à électrons libres à rayons X durs au monde. L'installation a délivré des impulsions de rayons X un milliard de fois plus brillantes que celles des synchrotrons à anneau de stockage, mais les impulsions initiales duraient plusieurs dizaines de femtosecondes.

Au cours de la dernière décennie, d'autres grandes installations sont entrées en service pour rivaliser dans le régime des rayons X durs, notamment SACLA au Japon (2011), PAL-XFEL en Corée du Sud (2016), European XFEL à Hambourg, en Allemagne (2017), et SwissFEL en Suisse (2017). Au sein de ces infrastructures, les chercheurs ont mis au point des modes opérationnels spécialisés, à l'instar du projet X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse (XLEAP) au SLAC, spécifiquement pour ramener la durée des impulsions de plusieurs dizaines de femtosecondes à quelques centaines d'attosecondes.

Ces dernières années, SLAC a achevé une modernisation majeure de ses infrastructures, connue sous le nom de LCLS-II, intégrant un accélérateur linéaire radiofréquence supraconducteur capable de produire jusqu'à un million d'impulsions par seconde, contre 120 impulsions par seconde pour l'installation d'origine. Cet investissement soutenu dans l'architecture de l'accélérateur a apporté la stabilité opérationnelle nécessaire pour isoler, contrôler et mesurer précisément des faisceaux de rayons X durs de moins de 400 attosecondes.

## Reaction

Bien que les informations de Mrigakshi Dixit décrivent cette réalisation empirique, les réactions officielles des institutions et de la communauté scientifique élargie se formaliseront à mesure que les publications évaluées par des pairs et détaillant les paramètres exacts de l'accélérateur seront diffusées. L'Office of Basic Energy Sciences du Department of Energy, qui supervise le financement du SLAC et des centres d'utilisateurs de synchrotrons comparables, intègre régulièrement de tels critères d'évaluation dans les feuilles de route de ses futures infrastructures.

Au sein des communautés de la physique ultrarapide et de la dynamique chimique, les chercheurs tributaires des demandes de temps de faisceau au SLAC devraient examiner la facilité avec laquelle ce mode opérationnel peut être intégré aux lignes de lumière expérimentales standard. Les grandes conférences scientifiques, notamment celles organisées par l'American Physical Society et l'Optical Society (Optica), constituent fréquemment les cadres où les comités de pairs examinent la méthodologie de mesure, les seuils signal sur bruit et les paramètres de cohérence spatiale qui sous-tendent ces affirmations d'impulsions record.

## What we don't know yet

Plusieurs paramètres opérationnels clés ne sont pas précisés dans le compte rendu préliminaire. Premièrement, la durée exacte de l'impulsion — au-delà de la classification générale indiquant qu'elle est inférieure à 400 attosecondes — n'a pas été formulée, pas plus que la marge d'erreur expérimentale associée à la technique de diagnostic temporel. Déterminer si les impulsions se situaient régulièrement plus près de 350 attosecondes ou de 100 attosecondes est essentiel pour les chercheurs planifiant des expériences sur des échelles de temps de désintégration subatomique spécifiques.

Deuxièmement, l'énergie par impulsion et le flux de photons par bouffée n'ont pas été détaillés. Dans la physique des lasers à électrons libres, comprimer un paquet d'électrons pour raccourcir la durée d'impulsion réduit fréquemment le nombre total de photons délivrés par tir. Si l'énergie de l'impulsion chute trop bas, obtenir des figures de diffraction nettes ou des signaux spectroscopiques exploitables à partir d'échantillons dilués devient statistiquement difficile.

Troisièmement, il reste à confirmer si ce mode sous les 400 attosecondes est actuellement assez stable pour être proposé comme configuration opérationnelle standard aux chercheurs extérieurs au LCLS, ou s'il demeure une démonstration délicate de mise au point machine nécessitant une optimisation manuelle par des spécialistes des accélérateurs.

## What to watch

Pour la suite, plusieurs indicateurs témoigneront de la viabilité opérationnelle de cette avancée. La prochaine étape immédiate sera la parution d'un article détaillé, évalué par des pairs, dans une revue de sciences physiques reconnue, qui exposera les configurations des ondulateurs, les paramètres de compression du faisceau d'électrons et les algorithmes de reconstruction utilisés pour vérifier la durée des impulsions.

L'attention des observateurs se tournera également vers les prochains cycles de soumission de propositions de temps de faisceau publiés par SLAC. Si l'installation intègre cette capacité de rayons X durs de moins de 400 attosecondes dans son appel à propositions pour les utilisateurs, cela indiquera que les ingénieurs ont résolu les défis de stabilité de faisceau et de reproductibilité tir à tir qui compliquent souvent les expériences attosecondes.

De plus, les réactions des installations internationales concurrentes mériteront d'être suivies. Des infrastructures comme European XFEL en Allemagne et SwissFEL en Suisse disposent de groupes de recherche dédiés à la mise en forme d'impulsions ultrarapides. La rapidité avec laquelle ces institutions homologues répliqueront ou dépasseront le seuil des 400 attosecondes dans le domaine des rayons X durs déterminera à quel rythme ce niveau de résolution temporelle s'imposera comme une norme de l'industrie dans la recherche sur les molécules et les matériaux.

Ce rapport est basé sur une couverture journalistique de Mrigakshi Dixit.