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On sait faire des atomes creux avec un laser X

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Avec des lasers à rayons X émettant des impulsions ultra-brèves, il est théoriquement possible de suivre les détails des mouvements des atomes lors d'une réaction chimique. Un laser de ce type existe à coté de l'accélérateur de particules linéaire du SLAC en Californie. Des physiciens viennent de s'en servir pour arracher sélectivement les électrons d'atomes de néon et créer des atomes « creux ».

Une vue d'artiste d'un atome de néon et de son cortège d'électrons arrachés par des impulsions laser X ultra-brèves. Crédit : Gregory Stewart, SLAC

Depuis leur découverte en 1895 par Röntgen, les rayons X ont envahi le monde de la physique, de la médecine et de la biologie. C'est grâce aux rayons X que la structure de la molécule d'ADN a pu être établie et que l'on commence à voir l'intérieur des cellules en 3D. Les physiciens de l'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron, ou ESRF, s'en servent même pour photographier le mouvement des atomes dans les réactions de photosynthèse.

Toutefois, les images des mouvements des atomes obtenues ainsi sont assez floues à cause des mouvements rapides des atomes dus à l'agitation thermique. La taille des impulsions et leurs durées sont trop grandes pour atteindre une résolution qui permettraient de révolutionner notre compréhension des détails des réactions chimiques entres molécules, en particulier dans les systèmes vivants.

Les chercheurs travaillent à résoudre ce problème en créant des sources de rayonnement X intenses et ultra-brèves avec des lasers. La plus remarquable au monde est celle du Linac Coherent Light Source (LCLS) proche du fameux SLAC, l'accélérateur de particules linéaire de Stanford. Ce laser, dont la construction a démarré en 2006, a permis les premières expériences en 2009 avec l'objectif de l'utiliser comme une véritable caméra moléculaire.

Avec les impulsions laser X ultra-brèves du LCLS, il devient possible de réaliser une véritable caméra moléculaire montrant les différentes étapes d'une réaction chimique avec des molécules organiques comme l'illustre ce dessin d'artiste. Crédit : Stanford University

Les X affectent uniquement les couches internes des atomes

Le LCLS produit désormais des impulsions dans le domaine des rayons X un milliard de fois plus brillantes que celles des synchrotrons. On peut ainsi prendre des sortes de photographies à des intervalles de temps inférieurs à 100 femtosecondes, c'est-à-dire le temps mis par la lumière pour parcourir l'épaisseur d'un cheveu.

Les chercheurs ayant réalisé les premières expériences au LCLS publient aujourd'hui un premier article dans journal Nature. Il s'agit de la façon dont réagissent les atomes et des molécules à des faisceaux de rayons X ultra-brefs d'une intensité jamais encore égalée. Ils ont ainsi découvert qu'ils pouvaient éjecter les électrons sur les couches électroniques d'un atome de néon un par un.

Le plus spectaculaire a été l'obtention d'un résultat suspecté théoriquement avant le début des expériences, c'est-à-dire la fabrication transitoire d'atomes de néon creux. En effet, les électrons des couches électroniques profondes des atomes, proches des noyaux, sont ceux qui peuvent émettre des photons X lors de transitions atomiques. Inversement, des photons X à la fréquence bien ajustée peuvent éjecter des électrons internes et seulement ceux-là. On pouvait donc imaginer la création de ces atomes creux en éjectant les deux électrons de la couche la plus profonde.

Toutefois, les électrons situés sur les couches supérieures ne tardent pas à découvrir qu'il existe des places vacantes et il s'ensuit une cascade d'émissions de photons au fur et à mesure que les électrons de ces couches descendent occuper les couches internes.

D'autres expériences ont été réalisées. Les chercheurs ont ainsi étudié des nanoparticules, des nanocristaux de protéines et même des virus. Les résultats concernant ces expériences devraient être publiés dans les prochains mois.

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