Le laser à rayons X suisse révèle comment les électrons interagissent

Une grande partie du comportement de la matière ne résulte pas de l’action isolée des électrons, mais de la manière dont ils s’influencent mutuellement. Des systèmes chimiques aux matériaux de pointe, leurs interactions déterminent la manière dont les molécules se réorganisent, dont les matériaux conduisent ou isolent, et comment l’énergie circule. 

Dans de nombreuses systèmes quantiques, notamment l’informatique quantique, les informations sont stockées dans des schémas délicats issus de ces interactions, appelés cohérences. Lorsque ces cohérences disparaissent, les informations s’effacent, un processus appelé décohérence. Apprendre à comprendre et, à terme, à contrôler ces états éphémères est l’un des principaux défis auxquels sont confrontées les technologies quantiques aujourd’hui.

Jusqu’à présent, bien que de nombreuses techniques nous permettent d’étudier le comportement des électrons individuels, nous étions en général aveugles à ces cohérences. Les scientifiques du SwissFEL de l’Institut Paul Scherrer PSI et de l’École polytechnique fédérale de Lausanne EPFL, en collaboration avec l’Institut Max Planck de physique nucléaire (MPIK) en Allemagne et l’Université de Berne, ont désormais mis au point un moyen d’y accéder à l’aide d’une technique connue sous le nom de mélange à quatre ondes de rayons X. 

«Nous apprenons comment les électrons dansent les uns avec les autres, s’ils se tiennent par la main ou s’ils dansent seuls», explique Gregor Knopp, scientifique senior au Centre des sciences photoniques du PSI, qui a dirigé l’étude. «Cela nous donne une nouvelle vision des phénomènes quantiques et peut changer notre compréhension de la matière.»

Comme la résonance magnétique nucléaire, mais avec des rayons X

D’un point de vue conceptuel, le mélange à quatre ondes par rayons X est similaire à la résonance magnétique nucléaire (NMR), qui est aujourd’hui utilisée quotidiennement dans les hôpitaux pour les examens IRM. Les deux techniques utilisent des impulsions multiples pour créer et lire les cohérences dans la matière.  

Le processus de mélange à quatre ondes est également déjà bien établi dans le domaine de la lumière infrarouge et visible, où il permet aux scientifiques d’étudier comment les molécules se déplacent, vibrent et interagissent, avec des applications allant des communications optiques à l’imagerie d’échantillons biologiques. 

Avec les rayons X, cette même approche est possible à une échelle plus petite. Ils nous permettent ainsi d’entrer dans le monde des électrons. «Alors que d’autres approches nous renseignent sur la manière dont les atomes ou les molécules interagissent entre eux ou avec leur environnement de manière globale, les rayons X nous permettent de zoomer directement sur les électrons», indique Ana Sofia Morillo Candas, première auteure de l’article. 

Cette capacité à zoomer sur les interactions entre les électrons pourrait fournir des informations totalement nouvelles non seulement sur l’information quantique, mais aussi sur de nombreux autres domaines, tels que les molécules biologiques ou les matériaux utilisés pour fabriquer des cellules solaires et des batteries.

L’expérience impossible

Cependant, concrétiser ce type d’expériences avec des rayons X est longtemps resté impossible, ou presque, même plusieurs décennies après que les scientifiques aient évoqué cette possibilité.

Dans le mélange à quatre ondes, trois ondes lumineuses entrantes interagissent avec la matière pour produire une quatrième onde. «En général, pour réaliser un mélange à quatre ondes, il faut diviser, retarder et recombiner différents faisceaux lumineux», explique Ana Sofia Morillo Candas. «C’est difficile avec les rayons X, car leur onde est très courte: il faut être incroyablement précis.» Analogie au défi que représente la manipulation de trois faisceaux de rayons X: lancer trois fléchettes à un kilomètre de distance pour qu’elles touchent la cible à quelques nanomètres les unes des autres.

Cette précision seule ne suffit pas: le signal de mélange à quatre ondes de rayons X généré est également extrêmement faible. Pour le voir, des impulsions de rayons X extrêmement brillantes et ultra-courtes, que seules les grandes installations laser à rayons X à électrons libres telles que SwissFEL peuvent fournir, sont nécessaires. «Les scientifiques rêvent de cette expérience depuis la construction du SwissFEL il y a dix ans», explique Gregor Knopp.

Une lumière dans la nuit

Le succès dépend d’une astuce empruntée à des expériences menées avec de la lumière laser ordinaire plutôt qu’avec des rayons X: une plaque d’aluminium percée de quatre minuscules trous. Les faisceaux de rayons X traversent trois trous et, si l’expérience est réussie, un nouveau signal de rayons X apparaît au niveau du quatrième.

 «C’est une solution simple sur le plan conceptuel», explique Gregor Knopp, expert du domaine de la lumière laser optique. «Si vous réalisiez ces expériences avec de la lumière infrarouge ou visible, c’est ainsi que vous procéderiez.» Cette approche est très différente des précédentes tentatives de mélange à quatre ondes des rayons X, mais pour le spécialiste, il semblait évident de tester cette méthode. «Nous avons été stupéfaits lorsque nous avons découvert l’ampleur du signal», ajoute-t-il.

Quand Ana Sofia Morillo Candas, alors post-doctorante au PSI, a vu le signal dans la salle de contrôle de la station expérimentale de Maloja au SwissFEL, c’était au beau milieu de la nuit. Elle se souvient: «Le signal brillait comme une lumière sur l’écran. Pour n’importe qui d’autre, cela n’aurait rien signifié. Mais nous avons sauté de joie.»

Du premier signal à la technologie d’imagerie courante 

Cette première démonstration réussie du mélange à quatre ondes de rayons X a été réalisée dans un gaz noble, le néon: un système relativement bien compris, exempt d’interactions d’électrons complexes, qui constitue le banc d’essai idéal pour détecter le signal du mélange à quatre ondes difficile à saisir.

Maintenant que la preuve de principe a été faite, les scientifiques pourront passer à des systèmes plus complexes. Ana Sofia Morillo Candas et Gregor Knopp pensent que la simplicité de leur solution la rend exceptionnellement robuste et qu’elle facilitera donc son acceptation.

Les prochaines étapes au SwissFEL seront d’étudier des gaz plus complexes, puis des liquides et des solides, où les interactions des électrons dans les molécules sont plus riches.

Mais ce n’est probablement que le début de cette technique. A terme, elle pourrait être utilisée comme méthode d’imagerie permettant de révéler où se trouvent les cohérences et où elles se décomposent à l’intérieur d’un matériau ou d’un dispositif, c’est-à-dire où l’information quantique est stockée et où elle est perdue. Cela pourrait donner aux concepteurs des indices sur la manière de construire des qubits plus stables et de réduire les erreurs dans les futurs ordinateurs quantiques. De telles informations ne sont tout simplement pas disponibles à l’heure actuelle.

 «Si, dans les années 1960, vous aviez demandé que votre genou soit examiné par résonance magnétique nucléaire, on vous aurait pris pour un excentrique. Pourtant, le début était le même puisqu’il s’agissait d’un premier signal», explique Gregor Knopp. «C’est là où nous en sommes aujourd’hui. Je pense que si nous avançons rapidement, le mélange à quatre ondes par rayons X pourrait devenir un jour une technique courante pour l’imagerie des minuscules dispositifs quantiques.»