Mots-clés |
  • physique,
  • Nature

Le premier laser à rayons X atomique civil est né

Les lasers à rayons X ne sont pas des nouveautés mais c’est la première fois, officiellement tout du moins, que des physiciens en réalisent un avec des atomes. Le phénomène avait été prédit il y a 45 ans mais jusqu’à présent, à part peut-être dans le domaine militaire, on devait avoir recours à des lasers à électrons libres ou à plasma pour obtenir un laser X.

Une vue du dispositif servant à faire fonctionner le laser à électrons libres du LCLS. © Stanford University Une vue du dispositif servant à faire fonctionner le laser à électrons libres du LCLS. © Stanford University

Le premier laser à rayons X atomique civil est né - 2 Photos

PDF

Le principe du laser était déjà connu d’Albert Einstein en 1917 puisque c’est lui qui a postulé le phénomène d’émission stimulée pour dériver la loi du corps noir de Planck à partir de l’atome de Bohr. Les premiers lasers fonctionnant dans le domaine visible n’ont guère plus de 50 ans et on cherchait toujours à réaliser un laser gamma, sans succès jusqu’à présent.

En revanche, on savait depuis quelque temps réaliser des lasers X, même si des impulsions laser intenses et ultracourtes imposaient des lasers à plasma ou à électrons libres comme celui du Linac Coherent Light Source (LCLS) de l’université de Stanford.

Pourtant, en 1967, on prédisait déjà qu’il devait être possible d’obtenir un effet laser avec des atomes selon les principes des lasers hélium-néon. Il fallait pour cela réaliser ce qu’on appelle une inversion des populations, c'est-à-dire forcer des électrons dans des atomes à occuper un état d’énergie plus élevé puis provoquer leur désexcitation simultanément afin d'engendrer une impulsion lumineuse spatialement et temporellement cohérente.

Officiellement, jusqu’à cette année, les physiciens n’avaient jamais pu réaliser un effet laser à rayons X avec des atomes. Officieusement, les choses sont moins claires car en raison des applications militaires potentielles des lasers à rayons X et du programme de Guerre des étoiles qu’avait lancé Ronald Reagan dans les années 1980, certains chercheurs dont Philip Bucksbaum (le directeur du PULSE Institute for Ultrafast Energy Science de l’accélérateur linaire de Stanford, le Slac) soupçonnent que des lasers à rayons X utilisant des atomes aient bel et bien été réalisés pendant cette période.

 

Une vue d'artiste d'un atome de néon bombardé par une impulsion laser dans le domaine des rayons X, perdant ensuite un électron et se désexcitant en émettant du rayonnement X secondaire. © Greg Stewart/Slac
Une vue d'artiste d'un atome de néon bombardé par une impulsion laser dans le domaine des rayons X, perdant ensuite un électron et se désexcitant en émettant du rayonnement X secondaire. © Greg Stewart/Slac

Pour des raisons de secrets militaires, et parce qu’il faudrait des explosions nucléaires souterraines pour exciter les atomes, la découverte n’aurait pas encore été rendu publique. On sait que des techniques d’optique adaptative utilisées aujourd’hui couramment en astronomie ont d’abord été développées par des astronomes travaillant pour l’armée américaine, dans le cadre du fameux programme de Guerre des étoiles. On l'appelait aussi L'Initiative de défense stratégique (IDS).

Un double laser à rayons X

Les chercheurs du LCLS viennent toutefois d’annoncer avoir produit un effet laser avec des atomes dans le domaine des rayons X. Leur travail est exposé dans un article publié dans Nature.

Un premier pas avait été obtenu il y a quelque temps avec la création des atomes de néon « creux ». Ils utilisent maintenant des impulsions laser X du LCLS, durant 40 à 80 femtosecondes, pour exciter là aussi des atomes de néon afin qu’ils servent de sources secondaires de rayons X.

Les impulsions de rayons ionisent un gaz d’atomes de néon à haute pression en dépeuplant des couches électroniques profondes de ces atomes. Des électrons des couches supérieures tombent dans les trous laissés dans les couches internes des atomes de néon en émettant des rayons X qui provoquent la chute d’autres électrons similaires et le processus s’amplifie de lui-même très rapidement selon le principe de l’émission stimulée. Les nouvelles impulsions laser produites sont moins intenses que les précédentes mais elles sont spectralement mieux définies et plus stables.

Au final, on obtient deux flashs de rayons X durs à différentes longueurs d’onde et avec une synchronisation optimale. Ce genre d’impulsion est utile pour réaliser des semblants de photographies des différentes étapes de réactions chimiques importantes, notamment pour les sciences biologiques. Les chercheurs travaillent maintenant sur la possibilité d’obtenir de tels flashs laser à des énergies encore plus hautes et avec des molécules d’oxygène.


A voir aussi sur Internet

Sur le même sujet

Vos réactions

Chargement des commentaires