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Un laser pour scruter la matière

J.-C. G.

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Un laser pour scruter la matière

Le tunnel d'accélération met en oeuvre des résonateurs supraconducteurs à base de niobium.

© DR

LE FUTUR LASER À RAYONS X européen "filmera" des réactions physico-chimiques et biologiques jusque-là méconnues.

Comment se déroulent, à l'échelle atomique, les transformations entre les différents états de la matière ? Comment se forme un corps solide ? Telles sont quelques-unes des questions auxquelles permettra de répondre le Xfel (X-ray free electrons laser), c'est-à-dire le futur laser à rayons X européen. Pas tout de suite cependant, puisque sa construction ne démarrera, en Allemagne, qu'en 2006, pour s'achever en 2012.

Cela dit, l'idée de construire un tel équipement remonte à plus d'une dizaine d'années, à l'époque où a été mise au point la technologie d'accélération Tesla au centre Desy (Deutsches Elektronen Synchrotron) de Hambourg. Un outil d'une centaine de mètres de long, au sein duquel l'accélération était conférée aux électrons au moyen de très puissants aimants supraconducteurs. Après une étape intermédiaire consistant à allonger le tunnel d'accélération jusqu'à 260 mètres dans le cadre du projet VUV-FEL (Vaccum UltraViolet Free ELectrons), avec des faisceaux d'électrons dotés d'une énergie allant jusqu'au milliard d'eV, ce sera donc au Xfel de prendre le relais.

À des vitesses proches de celle de la lumière

Les énergies iront cette fois jusqu'à 20 GeV avec un tunnel d'accélération d'environ 2 km de longueur, et doté d'une dizaine de stations de mesure.

Accélérés jusqu'à des vitesses proches de celle de la lumière au cours d'un véritable slalom dans un système d'aimants appelé "ondulateur", les électrons formeront de petites grappes en forme de disque de moins d'un centième de millimètre de diamètre et émis sous forme de flash de moins de 100 femtosecondes. Des flashs au cours desquels l'intensité lumineuse s'avère en pointe jusqu'à 1 milliard de fois plus élevée que celle des sources de rayons X actuelles.

Grâce au système d'amplification mis en oeuvre (Sase : Self amplified spontaneous emission), tous ces électrons possèdent la même énergie et vont dans la même direction (d'où l'appellation "laser à rayons X"). Au final, les longueurs d'ondes (6 à 0,085 nm) et les impulsions sont si courtes qu'il devient possible de filmer dans le moindre détail le déroulement de certaines réactions physico-chimiques ou biologiques, elles-mêmes ultrarapides.

Les applications sont évidemment immenses dans les domaines des matériaux et des sciences de la vie. Le coût prévisionnel du projet s'élève à 908 millions d'euros, dont 60 % pris en charge par l'Allemagne du fait de la localisation de l'installation.

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