Les éclairs de rayons X ultra-rapides réparent les dommages qu’ils provoquent
L'émission stimulée ramène les électrons à leur état fondamental — alors que l'irradiation est toujours en cours
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L'interaction entre les rayons X et la matière peut être contrôlée de manière active : une équipe de recherche internationale dirigée par l'université de Hambourg et le SLAC National Accelerator Laboratory a réussi à produire des images radiographiques nettes tout en réduisant considérablement les dommages causés. Dans la revue *Nature Communications*, les chercheurs décrivent l'utilisation d'impulsions ultra-rapides qui inversent partiellement les dommages qu'elles génèrent.
Les rayons X sont un rayonnement ionisant et peuvent endommager pratiquement toute matière. C’est pourquoi les radiologues s’efforcent de maintenir la dose de rayons X utilisée en imagerie aussi faible que possible. Dans le même temps, ils doivent s’assurer que l’image est suffisamment lumineuse et contient suffisamment de détails pour permettre un diagnostic. Ce compromis conditionne l’imagerie par rayons X depuis des décennies.
Les chercheurs qui souhaitent visualiser des réactions chimiques au sein de molécules individuelles et de nanoparticules sont confrontés à une version bien plus extrême de ce même problème. Pour capturer un phénomène aussi minuscule et fugace qu’une réaction au sein d’un groupe d’atomes, ils doivent irradier l’échantillon avec un grand nombre de photons de rayons X en une salve extrêmement brève. Les outils les plus avancés à cet effet — les lasers à électrons libres à rayons X (XFEL) — produisent des flashes suffisamment courts pour « devancer » la destruction physique de l’échantillon. Cependant, même ces impulsions courtes arrachent des électrons aux atomes et transforment une structure solide en un nuage d’ions et d’électrons avant qu’une image exploitable puisse être enregistrée. Ce phénomène, appelé « blanchiment électronique », a longtemps été considéré comme une limite inévitable de l’imagerie aux rayons X à haute résolution. Une fois que l’échantillon subit ce blanchiment, il devient plus transparent aux rayons X, ce qui entraîne une détérioration de la qualité et de la résolution de l’image.
Dans la présente étude, l’équipe fait état d’une méthode permettant d’atténuer ce blanchiment, même lorsque la dose de rayons X est poussée à des niveaux extrêmes.
Pour y parvenir, les chercheurs ont irradié des nanoparticules de néon à l’aide d’impulsions de rayons X récemment mises au point, d’une durée de quelques centaines d’attosecondes seulement. Ces impulsions étaient environ cent à mille fois plus courtes que celles utilisées lors des précédentes expériences d’imagerie par FEL. En ajustant ces impulsions ultracourtes à proximité du seuil K du néon (une énergie à laquelle les atomes de néon réagissent particulièrement fortement aux rayons X), les chercheurs ont fait une observation inattendue : non seulement les impulsions ont permis de contrer plus efficacement les dommages, mais elles ont également activement inversé une partie de ceux-ci alors même que l’irradiation était encore en cours.
« Lorsque des rayons X intenses frappent un échantillon, ils arrachent généralement des électrons de leur état d’origine. Selon la croyance communément admise, une fois que ces dommages ont été déclenchés, ils ne peuvent pas être annulés pendant l’exposition », explique Anatoli Ulmer, premier auteur de l’étude. « Les impulsions à l’échelle de l’attoseconde brisent ce cycle en devançant la cascade habituelle de dommages. De plus, nous avons observé un processus concurrent : l’émission stimulée. Dans ce cas, les rayons X repoussent certains électrons vers leur état d’origine. L’émission stimulée réduit donc activement le blanchiment électronique. »
Afin de cerner l’effet de l’émission stimulée, l’équipe a comparé l’impact d’impulsions de 300 attosecondes à celui d’impulsions 50 fois plus longues, à luminosité similaire. Lorsque les impulsions sont très courtes, bon nombre des mécanismes responsables du blanchiment n’ont parfois même pas le temps de se déclencher. Les impulsions plus longues ont produit un nuage chaud et dense d’électrons libres. Même si les ions eux-mêmes ne bougent pratiquement pas, ce nanoplasma finit par brouiller les informations structurelles de l’échantillon.
À l’inverse, les impulsions ultra-rapides réfléchissent davantage d’électrons restés couplés à leurs ions parents. Cela a permis d’obtenir une image représentant l’échantillon de manière bien plus précise, telle qu’il existait avant l’arrivée des rayons X.
De plus, le signal de rayons X issu des impulsions attosecondes était nettement plus intense, alors même que l’échantillon était moins ionisé. « Nous avons été très surpris de constater que des images plus lumineuses s’accompagnent de moins de dommages », explique Tais Gorkhover, professeur à l’université de Hambourg et chercheur au pôle d’excellence « CUI : Advanced Imaging of Matter ». « C’est un peu comme si l’on réfléchissait de plus en plus la lumière du soleil sur un toit métallique sans que celui-ci ne chauffe davantage. » Cet effet peut également s’expliquer théoriquement par l’émission stimulée : les électrons peuvent être renvoyés vers leurs ions d’origine par la lumière des rayons X, tant que le blanchiment n’est pas trop avancé.
Ces résultats détournent l’attention de l’approche jusqu’alors plutôt passive visant à améliorer l’imagerie aux rayons X. Au lieu de considérer les dommages comme une sorte de course que l’on ne peut gagner qu’en raccourcissant les expositions ou en limitant les doses de rayons X, ces découvertes suggèrent que l’interaction entre les rayons X et la matière peut être activement contrôlée. Avec la même lumière intense qui provoque les dommages, il est également possible de les contrer, au moins partiellement. « Ces travaux laissent entrevoir un avenir dans lequel nous pourrons adapter la réponse de la matière aux rayons X en contrôlant la dynamique électronique ultra-rapide et, à terme, influencer la manière dont les rayons X sont absorbés, diffusés et propagés à travers les matériaux », explique Phay Ho, l’un des chercheurs principaux de l’étude.
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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