Physique

Un puissant canon laser pour voir danser les atomes

Le plus puissant laser à rayons X du monde vient d’être inauguré près de Hambourg. Il promet des images plus précises des molécules biologiques

Plus de cent vingt ans après la découverte des rayons X par Wilhelm Röntgen, l’Allemagne revient sur le devant de la scène des rayonnements perçants.

Le 1er septembre a été inauguré à Schenefeld, à une douzaine de kilomètres au nord-ouest de Hambourg, la plus brillante source de rayons X du monde, XFEL (pour laser en rayons X à électrons libres), en présence des douze pays membres fondateurs. Ces Etats ont dépensé 1,2 milliard d’euros pour cette installation financée à 57% par l’Allemagne.

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Elle est environ un milliard de fois plus brillante qu’un synchrotron, source classique pour les utilisateurs de ces rayons qui révèlent les secrets de la matière, que ce soit des cristaux, des molécules biologiques, des os, des poteries ou même des toiles de maître. Elle est aussi plus de dix fois plus lumineuse que son homologue d’une technologie proche, LCLS, à l’Université Stanford (Californie).

«On va voir danser les atomes», explique Christian Bressler, responsable d’un des instruments de XFEL, joignant le geste à la parole. Avec ses deux poings, il montre qu’on verra la position des atomes ou des molécules dans l’espace, en enregistrant en quelque sorte l’ombre de ces objets sur un écran, comme en imagerie médicale.

Il agite ses mains, «on les verra aussi bouger», grâce à la séquence rapide des flashs lumineux, par effet stroboscopique. Et, bandant ses muscles, «on mesurera aussi les forces qui expliquent ces mouvements», illustrant là une technique subtile qui détermine l’énergie des électrons, responsables des forces en chimie, en enregistrant les rayons X émis par la molécule agitée.

Précieux rayonnements

La démonstration se traduit aussi en chiffres: 27 000 fois par seconde, une impulsion très courte de 100 femtosecondes (soit le temps mis par la lumière pour traverser un cheveu) est envoyée, dont la longueur d’onde permet de voir des détails aussi fins qu’un atome, soit moins d’un angström. Du jamais-vu. XFEL est aussi la plus grande machine de ce genre dans le monde, un long tunnel souterrain de 3,4 kilomètres de long, dans lequel des particules sont soumises à rude épreuve avant de cracher les précieux rayonnements.

Tout part d’électrons, arrachés de la matière par un laser optique et émis par une électrode. Sur plusieurs mètres, des aimants et des champs électriques façonnent une belle petite boule d’électrons de quelques millimètres de large. Les traînards se font botter le derrière et les plus pressés sont retenus par la manche, afin de resserrer les rangs.

Ces rayons X, focalisés sur quelques micromètres de large et très intenses, sont moins anodins que ceux du médecin. Ils font fondre, voire percent le métal

Ensuite, sur près de deux kilomètres, chaque paquet est puissamment accéléré par une technique dans laquelle les Allemands sont passés maîtres, la cloche résonante. Les électrons absorbent l’énergie stockée dans plusieurs centaines de cavités supraconductrices vibrant sous l’effet des radiofréquences. Ils subissent ainsi des coups de fouet de plusieurs millions de volts par mètre pour atteindre l’énergie ad hoc.

Après cette folle course, ils sont contraints à plus de deux cents mètres d’un slalom très serré, qui les conduit à perdre de l’énergie sous la forme des précieux rayons X. En outre, dans ces cavités, les photons émis se synchronisent et s’amplifient. C’est l’effet laser qui explique la formidable brillance de la source. Epuisés, les électrons finissent leur course dans du graphite refroidi par de l’eau.

Ces rayons X, focalisés sur quelques micromètres de large et très intenses, sont moins anodins que ceux du médecin. Ils font fondre, voire percent le métal. «Pour l’instant, on dompte la machine», explique Christian Bressler, qui, avec ses collègues, peaufine les réglages avant l’arrivée, dans deux semaines, des premiers utilisateurs, dont les expériences tourneront 24 heures sur 24 pendant cinq jours de la semaine.

Voir l’invisible

Le chercheur est particulièrement fier de montrer «la caméra à rayons X la plus rapide du monde». Ou des cristaux qui réfléchissent les rayons afin de les diriger vers des capteurs enregistrant leur énergie. Ou des miroirs focalisant les rayons X. Ou encore tous les outils, développés par les 300 personnes de XFEL, permettant de «voir» ces rayons invisibles afin de contrôler qu’ils ont la bonne allure.

Dans le labo voisin, on termine les réglages de la «cristallographie femtoseconde en série», une technique qui réalise des images tridimensionnelles de biomolécules, à température ambiante et sans les cristalliser. Une troisième pièce, entre les deux premières, abrite un instrument commun aux deux laboratoires: un laser optique, à impulsions très brèves. Il excitera une molécule, dont les rayons X, en stroboscope, filmeront ensuite l’évolution dynamique.

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La précision des faisceaux, la répétition des impulsions et la brillance promettent de nouvelles façons de voir les molécules. Quelle forme adoptent les protéines coincées dans les membranes cellulaires? Comment le fer fixe-t-il l’oxygène dans l’hémoglobine?

Comment un métal favorise-t-il ou non la conversion de lumière en courant électrique dans une cellule photovoltaïque? «Ou comment les molécules d’eau s’agitent-elles autour d’une biomolécule? On ne l’a jamais vu autrement que dans des simulations», rêve Christian Bressler, impatient de commencer ses expériences.

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