Un accélérateur laser compact génère de brillants rayons X dans la fenêtre de l'eau, selon des modèles informatiques
Les simulations montrent que les champs de sillage plasma peuvent remplacer les accélérateurs de particules de taille kilométrique pour l'imagerie biologique.
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Des physiciens ont démontré qu'un accélérateur laser-plasma de table peut produire des impulsions de rayons X mous brillantes et cohérentes, adaptées à l'observation de cellules vivantes. Cette innovation technologique, détaillée dans Nature Communications par des chercheurs d'Allemagne, d'Écosse et de Tchéquie, génère des impulsions dans la gamme de longueurs d'onde de la fenêtre de l'eau au moyen d'un appareil ne mesurant que quelques mètres.
Réduire l'accélérateur à l'échelle du laboratoire
Les lasers à électrons libres traditionnels nécessitent des accélérateurs d'électrons conventionnels qui s'étendent sur plusieurs kilomètres pour générer des faisceaux de haute intensité. Selon une étude publiée dans Nature Communications, une équipe de recherche de l'université Heinrich Heine de Düsseldorf, de l'université de Strathclyde et de l'installation ELI Beamlines a trouvé une méthode alternative grâce à une remarquable innovation scientifique. En remplaçant les tunnels kilométriques par des ondes de plasma pilotées par laser, l'équipe est parvenue à atteindre des énergies d'électrons relativistes sur quelques centimètres seulement.
« Qu'une source de rayonnement de ce type puisse fonctionner comme un laser à électrons libres dépend avant tout de la qualité des faisceaux d'électrons. »
— Dr Fahim Habib, chercheur principal à l'installation de recherche ELI
Voir à travers la fenêtre de l'eau biologique
La simulation cible des rayons X mous dont les longueurs d'onde se situent entre 2,3 et 4,4 nanomètres, une région connue en physique sous le nom de fenêtre de l'eau. À ces longueurs d'onde précises, l'eau reste transparente tandis que des éléments comme l'azote et le carbone absorbent fortement le rayonnement. Cela permet aux chercheurs d'imager des échantillons biologiques au sein de solutions liquides naturelles sans les endommager ni les colorer artificiellement. L'auteure principale, Lily Berman, doctorante dans le groupe de travail de Hidding à l'université de Strathclyde, note que de nouvelles impulsions d'électrons dans des onduleurs magnétiques peuvent produire des éclairs de rayons X intenses sur une distance de quelques mètres seulement.
Champs de sillage plasma et onduleurs magnétiques
Le dispositif repose sur le laser ARCTURUS de Düsseldorf, où des impulsions de pompe vertes alimentent des cristaux de titane-saphir qui émettent une lumière proche infrarouge de haute intensité dans un gaz. Cette lumière déclenche un champ de sillage de photocathode plasma qui rassemble et accélère rapidement les électrons. Les paquets de particules accélérés pénètrent ensuite dans un onduleur magnétique : un réseau d'aimants dipolaires alternés qui force les particules à suivre une trajectoire sinusoïdale. Lorsque les électrons oscillent, ils émettent un rayonnement qui regroupe les particules suivantes en paquets synchronisés, déclenchant un effet d'avalanche identique à celui d'un laser à électrons libres. Ces travaux marquent une avancée potentielle pour le transfert de technologie, en faisant sortir la spectroscopie par rayons X des sites synchrotrons nationaux pour l'installer dans les laboratoires universitaires.
Vers un prototype expérimental
Si les simulations numériques confirment que le système hybride laser-plasma est robuste et flexible, la réalisation pratique reste la prochaine étape. Dr Fahim Habib, chercheur principal à ELI Beamlines à Dolní Břežany, explique que la qualité du faisceau détermine si l'assemblage fonctionne comme un véritable laser à électrons libres. L'équipe multinationale prévoit de valider son invention en construisant un prototype physique de laboratoire pour des tests expérimentaux dans un avenir proche.
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