Une source de lumière ultracourte au format laboratoire

Dans la nature, certains processus se produisent si rapidement que même un battement de cils (10⁰s) est très lent en comparaison. De nombreuses réactions physiques, chimiques et biologiques fondamentales se produisent dans un intervalle de temps ultracourt de quelques femtosecondes (10^-15s) ou même des attosecondes (10^-18s). Les particules élémentaires comme les électrons ou les photons, par exemple, se déplacent dans les molécules en l'espace de 100 attosecondes seulement (10^-16 s).

Lorsque des électrons sautent d'un atome à l'autre dans une molécule, des liaisons chimiques peuvent se rompre et d'autres se former. Cela se produit en une fraction de femtoseconde. Suivre de tels processus en temps réel avec une résolution atomique est une raison essentielle pour le développement de nouvelles grandes installations de recherche, comme par exemple le laser à électrons libres Swiss FEL. Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université de Genève ont désormais trouvé un moyen d'étudier de tels processus ultra-rapides en laboratoire : avec une source de rayons X douce.

Le secret des réactions ultracourtes

Comme les chercheurs du groupe de biophotonique de Jean-Pierre Wolf, professeur à Genève, et du groupe de spectroscopie ultrarapide de Hans Jakob W?rner, professeur à Zurich, l'expliquent dans la dernière édition de la revue Science "Science", ils ont perfectionné une technologie de mesure basée sur les rayons X, appelée spectroscopie d'absorption des rayons X, de manière à obtenir une résolution temporelle de 20 femtosecondes (2x10^-14 s) ont été atteints.

Les scientifiques ont ainsi observé comment les espaces de séjour des électrons - appelés orbitales moléculaires - de deux composés hautement fluorés se modifiaient structurellement. Les molécules elles-mêmes - le tétrafluorocarbone (contenant quatre atomes de fluor) et l'hexafluorure de soufre (contenant six atomes de fluor) - ont pris une autre forme, car les liaisons chimiques existantes se sont rompues en raison des mouvements d'électrons. Tétrafluorocarbone par exemple, a perdu spontanément un atome de fluor et s'est transformé d'un tétraèdre en une molécule de carbone triangulaire-plane avec trois atomes de fluor. Les molécules carbonées et leurs réactions peuvent être mesurées spécifiquement pour chaque élément à l'aide de cette méthode et jouent un r?le dans la destruction de l'ozone dans l'atmosphère.

Une première en laboratoire

"Jusqu'à présent, il n'était pas possible d'étudier ces réactions chimiques", explique W?rner. "Il s'agit de la première mesure résolue en temps dans le domaine des femtosecondes avec une source de rayons X douce de laboratoire". Jusqu'à présent, les tentatives de développer des sources de rayons X ultrarapides pour une utilisation en laboratoire reposent sur des rayons X durs et de haute énergie et atteignent au mieux une résolution temporelle de l'ordre de la picoseconde (10^-12 s). En revanche, les chercheurs zurichois et genevois ont combiné une source lumineuse de rayons X mous à faible énergie, développée à l'ETH, avec un système laser compact à haute intensité dans le laboratoire genevois. Les rayons X mous permettent d'obtenir des informations structurelles précises sur la manière dont les électrons se répartissent dans les molécules et sur les distances entre les noyaux atomiques.

Ce qui a contribué de manière décisive à cette percée technologique, c'est que les chercheurs ont fait appara?tre les rayons X en générant des "harmoniques élevés". Gr?ce à cette méthode, ils ont multiplié par un facteur d'environ 500 la fréquence du faisceau laser femtoseconde initial dans un gaz placé dans une chambre à vide, produisant ainsi un faisceau cohérent de rayons X avec un spectre "blanc".

La résolution temporelle attoseconde comme objectif

Cela leur a également permis d'exploiter le spectre énergétique intéressant sur le plan chimique et biologique entre 100 et 350 électronvolts. "Des mesures à haute résolution temporelle n'étaient jusqu'à présent pas possibles en laboratoire dans ce domaine spectral", se réjouit W?rner. Un grand avantage de la nouvelle source est qu'elle permet également de réaliser des expériences de rayons X avec une résolution temporelle attoseconde. "La source de rayons X de laboratoire à haute résolution temporelle complète la recherche sur les sources de lumière synchrotron et sur les lasers à électrons libres, mais ne la remplace pas. Elle permet de réaliser des mesures et des expériences supplémentaires.

Par ailleurs, les chercheurs souhaitent à l'avenir mesurer des molécules dans un mince jet d'eau perméable aux rayons X, car dans l'expérience actuelle, ils se sont concentrés sur la phase gazeuse : dans cet état, les molécules peuvent être particulièrement bien isolées et étudiées indépendamment d'éventuelles interactions avec leur environnement. La plupart des réactions chimiques et des processus biologiques se déroulent toutefois en phase liquide.

Cette recherche a été financée par des fonds provenant de deux ERC Grants et du P?le de recherche national "MUST - Processus ultra-rapides dans les briques moléculaires", ainsi que par une bourse du programme ETH Fellows pour post-doctorants d'excellence.