Un laser qui "creuse" le néon

Inauguré en avril 2009 en Californie, le laser à électrons libres LCLS (acronyme anglais pour "accélérateur linéaire source de lumière cohérente") du laboratoire de l'accélérateur national SLAC, est la source de rayons X la plus puissante au monde : il produit des impulsions de photons 10 milliards de fois plus brillantes que celles générées par les machines les plus performantes, les synchrotons. Une équipe américaine vient de livrer les premiers résultats de l'étude de ce rayonnement ultra-intense sur les nuages électroniques entourant les noyaux atomiques [1]. Ils montrent que ces bouffées de rayons X très brèves, de l'ordre de la dizaine de femtosecondes à peine, permettent de dépouiller des atomes de plusieurs de leurs électrons, et ce au plus près du noyau.

Grâce à ces lasers à électrons libres X, les chercheurs espèrent réaliser des images tridimensionnelles de molécules biologiques naturelles, ou suivre en direct certains processus chimiques. Deux autres de ces instruments, baptisés SCSS et European XFEL, sont d'ailleurs en construction. Mais la manière dont cette source de lumière interagit avec la matière est mal connue dans son détail. "A ces intensités, chaque pulsation laser contient un nombre phénoménal de photons, explique Michael Meyer, un des responsables scientifiques à l'European XFEL, à Hambourg. Un atome soumis à un tel flash absorbe parfois plusieurs photons quasi simultanément. Il est alors susceptible d'éjecter d'un coup plusieurs électrons. Or, ce phénomène, rarement observé avec les sources de protons classiques, doit être bien compris avant d'envisager des applications à ces sources laser."

Atomes connus. L'équipe américaine s'y est attelée, en étudiant les effets des rayons X du LCLS sur les atomes d'un gaz néon, bien connus, et simples à manipuler. D'autant que des premiers tests avaient montré qu'ils présentaient une variété de comportement dans la gamme d'énergie de l'instrument. Un peu comme des soleils miniatures autour desquels tournent des planètes, ceux-ci sont faits de 10 électrons placés à des distances moyennes fixes du noyau : deux sur une orbite proche et huit sur des orbites éloignées. L'expérience a d'abord prouvé qu'il était possible avec une seule pulsation laser de priver les atomes de néons de plusieurs de leurs électrons, confirmant ainsi la puissance de la source utilisée. Elle a ensuite révélé diverses situations en fonction de l'énergie des photons employés au départ. Au-dessous de 870 électrons-volts, les électrons éjectés de l'atome sont ceux de la périphérie. Tandis que pour des valeurs supérieures, c'est l'un des électrons centraux qui est retiré en premier, laissant une lacune rapidement comblée par les électrons extérieurs, lesquels risquent alors d'être expulsés à leur tour. Les physiciens ont même observé des cas où les deux électrons centraux disparaissent en même temps, créant brièvement ce qu'ils appellent des "atomes creux", transparents aux rayons X. Un effet de transparence qui devrait concerner tout matériau à l'échelle atomique, moléculaire ou condensé qui serait fait de ces "atomes creux".

Selon Michael Meyer, "Ces résultats montrent bien que ces machines permettront d'étudier les atomes dans des conditions inédites : prédits par certaines théories, ces "atomes doublement creux" n'avaient encore jamais été produits".