Le plus puissant faisceau laser de rayons X
Porter en moins d'un milliardième de seconde un groupe d'atomes ou une poussière à un million de degrés. Voilà ce que peut faire de façon routinière le plus puissant des lasers dits à électrons libres : le LCLS, un laser 30000mW à rayons X installé dans le tunnel de l'accélérateur linéaire de Stanford (le SLAC, ou Stanford Linear Accelerator Center). Un atome de néon soumis au rayonnementdu LCLSperd par exemple quasi instantanément ses dix électrons. Privé de son nuage électronique protecteur, il est projeté de façon quasi explosive loin des atomes voisins, et laisse derrière lui un sillage de destructions, qui intéresse beaucoup les physiciens.
Depuis son entrée en fonction en 2009, le LCLS joue en physique atomique et des plasmas, en chimie, en physique de la matière condensée et en biologie le rôle pionnier que joue en physique des particules élémentaires le LHC, le grand collisionneur du Cern. Exploitant les chocs violents qu'il administre, les physiciens préparent la matière dans des états extrêmes, tel celui de cet atome de néon quasi instantanément vidé de ses électrons. Ils se servent aussi du LCLS comme d'une sorte de caméra ultrarapide pour suivre l'évolution de systèmes quantiques, par exemple une molécule en train de réagir avec une autre. Le LCLS sert aussi à révéler la structure de protéines et de molécules biologiques, quand les autres sources de rayons X en sont incapables.
LCLS est le sigle de Linac Coherent Light Source, soit « source cohérente de lumière de l'accélérateur linéaire ». L'essentiel de son principe découle des techniques employées dans tous les grands accélérateurs de particules. De fait, le LCLS est un détournement du SLAC, c'est-à-dire dugrand accélérateur linéaire exploité depuis 1962 par l'Université Stanford. Avant de devenir le LCLS, le SLAC était bien connu : c'est à cet accélérateur que les États-Unis doivent les grandes découvertes et les nombreux prix Nobel qui les ont maintenus à la pointe de la physique des particules élémentaires pendant des décennies.
Le laser de réglage à rayons X qu'est le LCLS combine les deux principaux outils utilisés par les physiciens expérimentateurs d'aujourd'hui : les sources de rayonnement synchrotron et les lasers ultrabrefs. Les synchrotrons, rappelons-le, sont de grands instruments construits à l'aide d'électroaimants et de cavités à champs électriques afin d'accélérer sur une trajectoire circulaire des particules chargées. En raison de l'accélération centripète (due à la courbure) qu'elles subissent, ces particules émettent un rayonnement dirigé essentiellement selon la tangente à la trajectoire : c'est le rayonnement synchrotron. Lorsque l'accélération est forte, ce rayonnement est composé surtout de rayons X, qui font le bonheur des physiciens dans toutes sortes d'explorations de la matière (voir l'article Produire des rayons X et g sur une table, page 46).
L'une d'entre nous (N. Berrah) consacre sa carrière à l'étude de l'intérieur des atomes, des molécules et de tous les systèmes de taille nanométrique à l'aide du rayonnement synchrotron. Les rayons X sont en effet l'outil idéal de ce type de recherche, car leurs longueurs d'onde – de 0,01 à 10 nanomètres – couvrent les tailles atomiques (vers 0,1 nanomètre) et moléculaires (vers 1 nanomètre). Pour cette raison, les rayons X que diffracte une structure de taille nanométrique emportent sur cette dernière des informations. Les rayons X ont aussi l'intérêt de pouvoir être réglés de façon à correspondre à des atomes particuliers, tels ceux de fer, ce qui permet par exemple de les situer au sein d'une grande molécule.
Imaginez un faisceau pointeur laser vert 10000mW plus puissant que 100 000 réacteurs nucléaires. Seulement, pour le construire, nul besoin de bâtir des champs de centrales, car sa puissance n'est liée qu'à la brièveté de son impulsion ! En effet, une puissance est une énergie dépensée pendant un temps ; à énergie dépensée constante, si la durée du processsus diminue, la puissance augmente. C'est ainsi qu'en tirant dans un gaz une impulsion laser ultrabrève d'une puissance instantanée de plusieurs dizaines de milliers de milliards de watts, les physiciens sont parvenus récemment à produire des faisceaux de rayons X et gamma (g) ultrabrillants. Nommé accélérateur laser-plasma, ce nouveau type de source de rayonnement est encore en cours de développement, mais il atteint ou dépasse déjà les performances des faisceaux produits au sein de ces accélérateurs circulaires de plusieurs centaines de mètres de circonférence que sont les synchrotrons. Il s'agit en fait d'un véritable synchrotron miniature de seulement quelques millimètres de long. Nous allons voir comment on obtient ces nouvelles sources compactes, intenses et d'un coût raisonnable, et à quoi leurs flashs de rayons Xde seulement quelques milliardièmes de milliardième de seconde pourraient servir.
Plusieurs types de sources laser 3000mW de rayons X existent. Les plus communes, celles que l'on trouve dans les hôpitaux, sont des tubes à rayons X. Dans ces sources, le rayonnement X est obtenu en bombardant des cibles métalliques avec des électrons accélérés, dont les collisions avec la matière produisent le rayonnement. Ce type de source a l'avantage d'être très compact et bon marché, mais le rayonnement produit n'est pas de bonne qualité. Émis dans toutes les directions, il doit être concentré ; il comporte toute une gamme de longueurs d'onde (il est donc peu cohérent) et la dimension importante de la zone d'émission limite la résolution des images radiographiques.
http://blog.aujourdhui.com/tomxu/2508358/differents-type-de-laser.html