Quand le cuivre devient transparent
Le XFEL européen crée de la matière exotique
Les expériences menées à l'European XFEL génèrent des états de la matière proches de ce qui se passe à l'intérieur des planètes ou dans la capsule en implosion d'un réacteur à fusion inertielle. En même temps, elles ouvrent la voie à la mesure de phénomènes ultra-courts.
L'exploration des conditions extrêmes atteintes à l'intérieur des planètes, dont la Terre, ou lors d'une réaction de fusion, constitue un défi majeur. En concentrant le laser à rayons X extrêmement puissant de l'European XFEL sur une feuille de cuivre, les chercheurs ont créé et étudié un état de la matière très éloigné de l'équilibre, appelé matière dense chaude (WDM), qui ressemble à ces environnements exotiques. Leurs résultats constituent une avancée remarquable dans la compréhension et la caractérisation de cet état insaisissable de la matière, qui est essentiel pour faire progresser la fusion par confinement inertiel, un processus prometteur pour une énergie propre et abondante.
La chaleur peut modifier radicalement l'état de la matière : en fonction de la température, les substances sont solides, liquides ou gazeuses. Dans une certaine gamme de températures, la matière prend également un état connu sous le nom de matière dense et chaude (MDT) : elle est trop chaude pour être décrite par la physique de la matière condensée, mais en même temps trop dense pour la physique des plasmas faiblement couplés. La frontière entre la matière dense et chaude et les autres états de la matière n'est pas définie avec précision. Souvent, une plage de température de 5 000 Kelvin à 100 000 Kelvin est spécifiée à des pressions de plusieurs centaines de milliers de bars, un bar correspondant à la pression de l'air à la surface de la Terre. Le WDM n'est pas stable dans notre environnement quotidien et il est très difficile de le produire ou même de l'examiner en laboratoire. En général, les scientifiques compriment les échantillons dans des cellules à enclumes de diamant pour atteindre des pressions élevées, ou utilisent de puissants lasers optiques pour transformer les solides en WDM pendant une infime fraction de seconde.
Les impulsions intenses de rayons X du laser européen XFEL se sont révélées être un outil très utile pour générer et analyser de la matière dense et chaude. Les chercheurs ont utilisé le cuivre comme matériau d'échantillonnage. "La forte intensité des impulsions peut exciter les électrons de la feuille de cuivre à un point tel qu'elle passe à l'état de matière dense chaude", explique Laurent Mercadier, scientifique à l'instrument SCS qui a dirigé l'expérience : "Cela se traduit par une modification de sa transmission lumineuse".
Un métal irradié par une impulsion intense de rayons X peut devenir transparent si les électrons du métal absorbent l'énergie des rayons X si rapidement qu'il n'y a plus d'électrons à exciter. La queue restante de l'impulsion peut alors pénétrer le matériau sans entrave. C'est ce qu'on appelle l'absorption saturable (AS). Inversement, un métal peut devenir de plus en plus opaque si le front de l'impulsion crée des états excités qui ont un coefficient d'absorption plus élevé que le métal froid. La queue de l'impulsion est alors absorbée plus fortement, un effet connu sous le nom d'absorption saturable inverse (ASR). Ces deux processus sont couramment utilisés en optique, par exemple pour générer une longueur d'impulsion spécifique avec les lasers.
Les chercheurs de l'European XFEL ont maintenant irradié un film de cuivre de 100 nanomètres d'épaisseur avec des impulsions de rayons X très focalisées et d'une longueur de 15 femtosecondes. Ils ont ensuite analysé le signal transmis à l'aide d'un spectromètre. "Le spectre dépend fortement de l'intensité de l'impulsion de rayons X", explique Mercadier. "Lorsque l'intensité des rayons X est faible ou modérée, le cuivre devient de plus en plus opaque au faisceau de rayons X et présente un RSA. Cependant, à des intensités plus élevées, l'absorption sature et la feuille devient transparente".
Ces modifications drastiques de l'opacité se produisent si rapidement que les noyaux atomiques du métal n'ont pas le temps de bouger. "Nous avons affaire à un état très exotique de la matière où le réseau est froid et où certains des électrons ionisés sont chauds et ne sont pas en équilibre avec les électrons libres restants du métal", explique Mercadier : "Pour expliquer ce phénomène, nous avons développé une théorie qui combine la physique des solides et la physique des plasmas". Pour les chercheurs, le changement d'opacité est le signe qu'ils ont réussi à créer et à caractériser de la matière dense et chaude en laboratoire.
La compréhension de l'opacité de la matière dans ces conditions extrêmes est une nécessité urgente pour la fusion par confinement inertiel. Dans ce dernier cas, une énergie intense est utilisée pour comprimer et chauffer une cible de combustible, créant ainsi les conditions nécessaires à la fusion. L'opacité détermine la quantité d'énergie de rayonnement absorbée ou transmise à travers le matériau, ce qui est essentiel pour garantir que l'énergie utilisée pour la compression ne s'échappe pas, permettant ainsi des réactions de fusion efficaces.
Court n'est pas assez court
"En fait, ces effets se produisent si rapidement que nous avons besoin d'impulsions de rayons X encore plus courtes pour résoudre complètement la dynamique des électrons", explique Andreas Scherz, responsable scientifique de l'instrument SCS. "Récemment, le XFEL européen a démontré sa capacité à générer des impulsions attosecondes, ouvrant ainsi la voie à ce que l'on appelle la physique attoseconde". Les impulsions de rayons X attosecondes permettent de "filmer" avec précision le mouvement des électrons lors de la formation de matière dense et chaude ou lors de réactions chimiques, et donc d'améliorer considérablement notre compréhension, par exemple, des processus chimiques ou du fonctionnement des catalyseurs.
Les prix Nobel de physique 2023 attribués à la physicienne franco-suédoise Anne L'Huillier, au physicien hongrois-autrichien Ferenc Krausz et au physicien franco-américain Pierre Agostini montrent qu'il s'agit d'un sujet de recherche extrêmement actuel.
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.
Publication originale
Laurent Mercadier, Andrei Benediktovitch, Špela Krušič, Joshua J. Kas, Justine Schlappa, Marcus Agåker, Robert Carley, Giuseppe Fazio, Natalia Gerasimova, Young Yong Kim, Loïc Le Guyader, Giuseppe Mercurio, Sergii Parchenko, John J. Rehr, Jan-Erik Rubensson, Svitozar Serkez, Michal Stransky, Martin Teichmann, Zhong Yin, Matjaž Žitnik, Andreas Scherz, Beata Ziaja, Nina Rohringer; "Transient absorption of warm dense matter created by an X-ray free-electron laser"; Nature Physics, 2024-7-29
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