Percée à l'Institut Fritz Haber : premier fonctionnement d'un mode bicolore dans un laser infrarouge à électrons libres
De nouvelles possibilités d'études expérimentales dans divers domaines allant de la chimie physique, de la science des matériaux, de la recherche sur la catalyse aux études biomoléculaires
Une étape technologique a été franchie à l'Institut Fritz Haber (FHI) de la Société Max Planck à Berlin. Pour la première fois, un laser infrarouge à électrons libres (FEL) a fonctionné en mode bicolore. Cette technologie unique au monde permet de réaliser des expériences avec des impulsions laser bicolores synchronisées, ce qui ouvre de nouvelles perspectives à la recherche.
Les lasers à électrons libres, dont il existe plus d'une douzaine dans le monde, varient considérablement en taille (de quelques mètres à plusieurs kilomètres), en longueur d'onde (des micro-ondes aux rayons X durs) et en coût (de quelques millions à plus d'un milliard). Cependant, ils produisent tous des impulsions de rayonnement intenses et courtes. Les lasers à électrons libres sont devenus d'importantes sources de rayonnement au cours des dernières décennies, trouvant de nombreuses applications dans la recherche fondamentale et les sciences appliquées. En collaboration avec des partenaires américains, des chercheurs de l'Institut ont mis au point une méthode qui permet de générer simultanément des impulsions infrarouges de deux couleurs différentes. Cette innovation est particulièrement importante pour l'étude des processus temporels dans les solides et les molécules.
Dans un FEL, les paquets d'électrons sont d'abord accélérés à des énergies cinétiques très élevées par un accélérateur d'électrons, atteignant presque la vitesse de la lumière. Les électrons rapides traversent ensuite un onduleur, où ils sont contraints de suivre une trajectoire en forme de slalom par des champs magnétiques puissants dont la polarité varie périodiquement. Les oscillations des électrons conduisent à l'émission d'un rayonnement électromagnétique, dont la longueur d'onde peut être modifiée en ajustant l'énergie des électrons et/ou l'intensité du champ magnétique. C'est pourquoi les FEL peuvent être utilisés pour générer un rayonnement de type laser dans presque toutes les parties du spectre électromagnétique, des longues longueurs d'onde des térahertz aux courtes longueurs d'onde des rayons X.
Depuis 2012, un FEL est en service à l'Institut FHI, produisant un rayonnement intense et pulsé dans le domaine de l'infrarouge moyen (MIR), accordable en continu de 2,8 à 50 micromètres de longueur d'onde. Ces dernières années, les scientifiques et les ingénieurs du FHI ont travaillé sur une expansion bicolore, dans laquelle une deuxième branche FEL (voir figure) a été installée pour générer un rayonnement dans l'infrarouge lointain (FIR) à des longueurs d'onde comprises entre 5 et 170 micromètres. La branche FIR-FEL comprend un nouvel onduleur à aimant hybride, qui a été spécialement construit à l'IFA. En outre, une cavité kicker de 500 MHz pour la déviation transversale des électrons a été installée derrière l'accélérateur linéaire d'électrons (LINAC). La cavité kicker peut changer la direction des paquets d'électrons à haute énergie à une vitesse d'un milliard de fois par seconde.
En juin 2023, l'équipe de FHI a démontré le premier "lasing" du nouveau FIR-FEL, en dirigeant tous les paquets d'électrons provenant du LINAC vers le FIR-FEL. En décembre 2023, ils ont pu démontrer pour la première fois le fonctionnement bicolore. Dans ce mode, le puissant champ électrique oscillant formé dans la cavité kicker dévie une grappe d'électrons sur deux vers la gauche et une grappe sur deux vers la droite. De cette manière, le train de paquets d'électrons à taux de répétition élevé (1 GHz ; 1 paquet par ns) provenant du LINAC est divisé en deux trains de paquets ayant chacun un taux de répétition inférieur de moitié ; l'un est dirigé vers l'ancien MIR-FEL, et l'autre vers le nouveau FIR-FEL. Dans chaque FEL, la variation de l'intensité du champ magnétique de l'onduleur permet de régler en continu la longueur d'onde d'un facteur pouvant aller jusqu'à quatre.
Depuis une dizaine d'années, le FHI-FEL permet aux groupes de recherche du FHI de mener des expériences allant de la spectroscopie de clusters, de nanoparticules et de biomolécules en phase gazeuse à la spectroscopie non linéaire à l'état solide et à la science des surfaces, ce qui a donné lieu à une centaine de publications évaluées par des pairs jusqu'à présent. Le nouveau mode bicolore, qui n'est disponible dans aucune autre installation FEL IR dans le monde, permettra de réaliser de nouvelles expériences telles que les expériences de pompe-sonde MIR/MIR et MIR/FIR. Cela devrait ouvrir de nouvelles possibilités d'études expérimentales dans divers domaines allant de la chimie physique, de la science des matériaux, de la recherche sur la catalyse aux études biomoléculaires, contribuant ainsi au développement de nouveaux matériaux et de nouveaux médicaments.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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