Une technique de rayons X à super-résolution permet de découvrir des structures atomiques
Une nouvelle méthode permet de mieux comprendre les réactions chimiques et les propriétés des matériaux en appliquant une technique de spectroscopie récompensée par un prix Nobel
Des chercheurs de l'Argonne National Laboratory près de Chicago (États-Unis), du Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) à Heidelberg et du European X-ray Free Electron Laser (European XFEL) à Hambourg ont mis au point une approche innovante de la spectroscopie à rayons X, qui permet d'atteindre un niveau de détail et de résolution sans précédent.
Cette technique, appelée diffusion Raman stochastique stimulée par les rayons X (s-SXRS), utilise des impulsions intenses de rayons X pour exciter les électrons à l'intérieur des atomes. Elle a été mise en œuvre dans le cadre d'une expérience pionnière réalisée au XFEL européen. Les chercheurs ont dirigé un faisceau de rayons X à travers une petite cellule de gaz à haute pression de 5 millimètres conçue au MPIK et remplie de néon comme gaz cible. Le rayonnement qui en résulte est recueilli et analysé dans un spectromètre à réseau, un dispositif qui sépare la lumière en différentes longueurs d'onde. Lorsque les rayons X traversent le gaz, ils amplifient de près d'un milliard de fois le rayonnement diffusé par résonance - ce que l'on appelle les signaux Raman, un type d'empreinte radiographique qui fournit des informations sur les états électroniques excités des atomes et des molécules.
Le signal amplifié fournit des informations détaillées sur la structure électronique des atomes à l'échelle de la femtoseconde (c'est-à-dire un millionième de milliardième de seconde). Une méthode statistique, appelée analyse de covariance, relie les impulsions de rayons X entrantes aux signaux Raman émis par les atomes. Grâce à cette méthode, les scientifiques créent un spectre d'énergie détaillé à partir de nombreux clichés individuels, plutôt que de balayer lentement les différents niveaux d'énergie. Ce qui était autrefois considéré comme du "bruit" est ainsi transformé en une ressource précieuse, permettant d'extraire des informations détaillées à partir de données complexes.
Le grand nombre de photons dans chaque flash de rayons X augmente non seulement le signal de mesure, mais constitue également la clé de la résolution spectrale la plus élevée en calculant la moyenne des nombreux impacts de photons sur le détecteur. Ce grand nombre de photons à des longueurs d'onde aléatoires, mais totalement corrélées, permet de localiser la position du centre de ces pics spectraux larges mais distincts avec beaucoup plus de précision que leur largeur ne l'indiquerait autrement. Cette approche est similaire à la technique de microscopie à super-résolution qui a remporté le prix Nobel de chimie en 2014.
Les simulations à grande échelle des interactions complexes des impulsions de rayons X lorsqu'elles se propagent dans le gaz ont constitué un support essentiel pour l'interprétation des résultats expérimentaux. L'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) a fourni la puissance de calcul nécessaire pour ces calculs qui correspondent étroitement aux données mesurées, confirmant ainsi la compréhension de ces processus par les chercheurs et ouvrant la voie à de futures investigations. Grâce à des progrès continus, le s-SXRS pourrait devenir un outil standard dans les laboratoires du monde entier, stimulant l'innovation dans de nombreux domaines et ouvrant la voie à des percées dans l'analyse chimique et la science des matériaux ayant un impact sur des industries telles que l'électronique et les nanotechnologies.
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
Kai Li, Christian Ott, Marcus Agåker, Phay J. Ho, Gilles Doumy, Alexander Magunia, Marc Rebholz, Marc Simon, Tommaso Mazza, Alberto De Fanis, Thomas M. Baumann, Jacobo Montano, Nils Rennhack, Sergey Usenko, Yevheniy Ovcharenko, Kalyani Chordiya, Lan Cheng, Jan-Erik Rubensson, Michael Meyer, Thomas Pfeifer, Mette B. Gaarde, Linda Young; "Super-resolution stimulated X-ray Raman spectroscopy"; Nature, Volume 643, 2025-7-16
Autres actualités du département science
