LCLS-II, le laser qui va révolutionner notre compréhension du monde quantique est terminé !

C'est l'un des laserslasers les plus puissants au monde et il va bientôt permettre d'aller un peu plus loin dans l'observation de l'universunivers du tout-petit. Le LCLS-II, un laser à électrons libreslaser à électrons libres à rayons X a été amélioré par le laboratoire national des accélérateurs Slac de Stanford aux États-Unis. Si on l'appelle laser, étant donné qu'il produit un faisceau laser à rayons Xrayons X, il s'agit en réalité d'un énorme microscope pour observer l'Univers au niveau de l'atomeatome. L'appareil crée des impulsions de rayons X à très haute vitesse et extrêmement lumineuses. Le laser du LCLS-II génère ainsi jusqu'à un million d'impulsions de rayons X par seconde. C'est 8 000 fois plus rapide et 10 000 fois plus lumineux que le modèle précédent. C'est grâce à cette capacité que l'on peut observer les détails du comportement des électrons, des atomes et des moléculesmolécules.

Comprendre le comportement des matériaux quantiques

Pour s'approcher à quelques degrés du zéro absolu et canaliser le dégagement de chaleurchaleur du laser, l'accélérateur supraconducteursupraconducteur utilise 37 modules cryogéniques pour refroidir l'ensemble à une température de -271 degrés. En plus de l'analyse des protéinesprotéines ou encore de la machinerie de la photosynthèsephotosynthèse, avec un tel équipement, les scientifiques comptent également étudier les interactions des matériaux quantiques. Il faut dire que leurs propriétés sont souvent contre-intuitives. Grâce à cet appareil, une meilleure compréhension des attributs de ces matériaux pourrait permettre de traiter plus rapidement les données, de consommer moins d'énergieénergie et de créer de puissants et fiables ordinateurs quantiques.  

LCLS-II : le rayon X le plus puissant du monde est presque achevé

Aux États-Unis, à trente mètres sous terre, à deux pas de l'université de Stanford, des scientifiques sont en train de peaufiner les derniers réglages du plus puissant rayon X. Il pourrait révolutionner la façon d'étudier les éléments constitutifs de l'Univers.

Article de Sylvain BigetSylvain Biget, publié le 31 décembre 2021

Voici le Linac Coherent Light Source II, ou LCLS-II. Il se niche trente mètres sous terre dans les installations du Slac, le laboratoire de l'accélérateur de particules situé à proximité de l'université de Stanford, aux États-Unis. Il s'agit du plus puissant laser à rayon X. Ce type de faisceau est constitué à partir d'un accélérateur de particules.

C'est en traversant une série d'aimantsaimants qu'il vient produire le rayon X. Ce dernier est capable de chauffer en moins d'un milliardième de seconde des atomes à un million de degré. Une façon de vider des atomes de leurs électrons pour les examiner ou bien permettre de « filmer » l'évolution d'une molécule en interaction avec une autre ou bien encore la structure de certaines protéines. Il s'agit d'une sorte microscope à résolution atomique. Les scientifiques peuvent utiliser ces rayons X pour créer ce qu'ils appellent des films moléculaires.

Vidéo de présentation du LCLS, la première mouture du rayon X. © Slac

1000.000 d’impulsions par seconde

Son prédécesseur, le LCLS, était déjà capable de produire des impulsions de rayons X mille fois plus lumineuses que tout ce qui existe en la matièrematière. Avec cette version 2, le laser à rayon X sera 10.000 fois plus lumineux que son prédécesseur. Le laser se trouve dans le tunnel de 3 km de long de l'ancien accélérateur de particules linéaire du centre. Alors que le LCLS culminait à 120 impulsions lumineuses par seconde, cette nouvelle mouture parviendra à produire jusqu'à 1 million d'impulsions par seconde, soit une impulsion en dessous d'une femtosecondefemtoseconde.

Le laser à rayons X LCLS-II, en bleu, à gauche, est représenté à côté du LCLS existant en rouge, à droite. Le LCLS utilise le dernier tiers de l'accélérateur linéaire de 3 km du Slac, une structure creuse en cuivre qui fonctionne à température ambiante et permet de générer 120 impulsions de rayons X par seconde. Pour LCLS-II, le premier tiers de l'accélérateur en cuivre sera remplacé par un supraconducteur, capable de créer jusqu'à 1 million d'éclairs de rayons X par seconde. © Laboratoire national des accélérateurs, Slac

Une telle vélocitévélocité augmente énormément la définition de ce que les scientifiques peuvent « voir » et permettra d'accéder à des expériences qui étaient jusqu'alors impossibles à réaliser. Les chercheurs ont dû revoir la conception du générateurgénérateur de rayons X pour pouvoir canaliser son dégagement de chaleur. Pour cela, ils ont intégré une série de modules supraconducteurs maintenus à -271 °C. En ce dernier jour de l'année, les chercheurs sont en train de réaliser les derniers réglages pour pouvoir tester le LCLS-II en activant son premier faisceau dès le mois de janvier. Le véritable rayon X devrait être généré au cours de l'été prochain.