Deux électrons s'unissent pour pousser les rayons X laser au-delà des limites standard de la physique
Des chercheurs de la TU Wien et de l'UC San Diego génèrent un rayonnement haute fréquence en synchronisant le retour des électrons dans des atomes d'hélium
Par Giovanni Sapere
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Des physiciens de la TU Wien et de l'Université de Californie à San Diego ont trouvé un moyen de générer des rayons X d'énergies supérieures à ce que permettent les limites théoriques standard. En synchronisant deux électrons d'atomes d'hélium avec des impulsions laser ultraviolettes, l'équipe a déclenché une libération d'énergie combinée qui produit des photons d'une énergie inhabituelle. Cette innovation scientifique remet en cause des hypothèses anciennes sur la façon dont le rayonnement induit par laser est généré au niveau atomique.
Dépasser la limite théorique d'énergie
Pendant des décennies, les méthodes de laboratoire pour générer de brèves impulsions de rayons X ont reposé sur l'arrachement d'un électron unique à un atome par un champ laser intense. Le champ électrique libère l'électron, l'accélère et le force à revenir entrer en collision avec son noyau parent. Cet impact libère des fréquences lumineuses bien supérieures à celles du faisceau d'excitation initial. Pourtant, la physique conventionnelle impose une frontière infranchissable appelée limite d'énergie (energy cutoff), au-delà de laquelle l'émission chute brutalement, comme le rapporte ScienceDaily.
Publiée dans la revue Nature Photonics, la nouvelle innovation des chercheurs de la TU Wien et de l'Université de Californie à San Diego révèle que ce seuil n'est pas absolu. Dans des conditions spécifiques, les atomes peuvent produire une lumière bien au-delà de ce plafond prédit.
« En utilisant des impulsions d'excitation UV, nous pouvons faire en sorte que les deux électrons reviennent à l'atome exactement au même moment. »
— Dimitar Popmintchev, chercheur postdoctoral à la TU Wien
Coordonner deux électrons dans l'hélium
La percée repose sur l'hélium, un élément dont les deux électrons restent fortement corrélés par la mécanique quantique. Au lieu d'éjecter une seule particule, le dispositif expérimental utilise d'intenses impulsions laser ultraviolettes pour libérer les deux électrons en succession rapide. Bien qu'arrachées à des moments distincts, les particules restent liées.
En ajustant soigneusement les impulsions d'excitation, les chercheurs sont parvenus à forcer les deux électrons à revenir au noyau d'hélium au même instant. Lorsque deux électrons heurtent simultanément leur cible, leur énergie cinétique stockée fusionne en un seul événement, permettant à l'atome d'émettre un photon unique porteur d'une énergie bien plus grande que ne le permettent les dynamiques standard à un seul électron, selon ScienceDaily.
Un plateau secondaire confirme la réaction quantique
L'analyse spectrale a fourni une preuve physique directe du mécanisme à deux électrons. L'équipe a observé une région secondaire distincte d'émissions durables à haute énergie, appelée plateau, s'étendant bien au-delà de la limite conventionnelle. Bien que ce signal secondaire fût plus faible que la bande de rayonnement principale, sa présence démontrait un régime opérationnel entièrement distinct, selon ScienceDaily.
Des essais de contrôle ont confirmé le rôle unique de l'hélium. Lorsque Dimitar Popmintchev et l'équipe de recherche ont répété l'expérience avec des gaz nobles plus lourds comme l'argon et le néon, l'effet n'est pas apparu. Les électrons externes de ces atomes plus gros n'avaient pas la corrélation quantique étroite nécessaire pour mettre en commun leur énergie lors de la collision. La découverte ouvre de nouvelles voies pour utiliser des systèmes laser de table afin de sonder les mouvements ultrarapides des électrons dans la matière sans accélérateurs de particules massifs, posant les bases d'une nouvelle génération d'innovation scientifique.
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