source de lumière synchrotron

Sur une chaîne de montage, les pièces sortent une par une à chaque cycle. Si le cycle est court et que le taux de défauts est faible, la ligne tourne vite.

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Le tireur vise la cible, appuie sur la détente — et entend deux détonations : l'une forte, l'autre plus discrète. C'est ainsi que fonctionne le nouveau dispositif, sauf qu'au lieu de balles, on a un paquet d'électrons, et au lieu de coups de feu, deux éclairs de lumière. L'un est un rayon X, l'autre est térahertz. Ils se dirigent vers un même point avec un intervalle parfait.

Le faisceau d'un synchrotron, c'est comme un jet d'eau sortant d'un tuyau d'arrosage : large et peu pratique pour le travail de précision. Pour examiner un échantillon minuscule, il faut une aiguille fine, pas un tuyau.

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

Une pierre tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Ainsi, la lumière des galaxies lointaines se diffuse dans toutes les directions — calmement et régulièrement. Mais au centre de certaines galaxies se cache non pas une pierre, mais un véritable canon : il projette des particules avec une force monstrueuse. Les astronomes appellent ces objets HSP BL Lac.

Lorsqu'on chauffe de la matière à des millions de degrés, elle se transforme en plasma – un mélange d'électrons libres et d'ions, semblable à une soupe bouillonnante de particules chargées. On ne peut pas sonder cette « soupe » avec un thermomètre ordinaire, mais on peut l'éclairer avec des rayons X.

Un laser classique ressemble à un orchestre dont les musiciens doivent s'échauffer avant de jouer à l'unisson. Il faut d'abord pomper assez d'énergie dans les atomes pour qu'ils se « retournent » et soient prêts à émettre de la lumière – c'est ce qu'on appelle l'inversion de population. Ce n'est qu'alors que le faisceau jaillit.

Les sources modernes de rayons X ressemblent à un orchestre sans chef : les électrons du faisceau volent chacun de son côté, et le rayonnement qui en résulte est flou. La nouvelle idée est de faire en sorte que les électrons s'alignent en rangées régulières avec un pas de quelques nanomètres. Ainsi, la lumière qu'ils émettent devient cohérente, comme un faisceau laser.

Deux horloges dans des pièces différentes doivent tic-tac à l'unisson. Habituellement, on envoie des impulsions lumineuses intenses ou des paires de photons qui arrivent exactement l'un après l'autre. Mais le signal peut être si faible que les photons arrivent à peine.

Une particule chargée, enroulée par un champ magnétique, ne reste pas silencieuse : elle émet de la lumière. Cette lumière est appelée rayonnement synchrotron, et on la rencontre partout – des galaxies lointaines aux accélérateurs de laboratoire.

Le nitrure de bore hexagonal en couche mince est un cousin du graphite, mais transparent et isolant. Dans son réseau cristallin, on rencontre parfois des défauts isolés : un atome de bore ou d'azote manque, et à sa place se forme un piège à électrons. Ce piège peut absorber la lumière et la réémettre, comme une minuscule lampe de poche.

Une impulsion laser pénètre dans une minuscule cavité en cristal transparent. À l'intérieur, la lumière rebondit entre les miroirs, et parfois un photon se divise en une paire : l'un part d'un côté, l'autre de l'autre. L'un devient le signal, l'autre une « sonnerie » qui annonce : le photon unique est prêt.

Les rayons X des étoiles ne se capturent pas avec un miroir ordinaire : ils traversent le verre comme la lumière traverse une vitre. Pour les réfléchir, il faut un miroir presque parallèle au faisceau : alors les rayons glissent sur la surface comme un galet plat sur l'eau, et ne changent que légèrement de direction.

Dans un accélérateur de particules, les électrons filent en cercle à une vitesse proche de celle de la lumière. Quand un tel électron entre en collision avec un photon — une particule de lumière —, le photon rebondit comme une balle contre un camion lancé à toute allure et repart avec une énergie bien plus grande.

Un flash photographique ordinaire dure un millième de seconde. Le nouveau dispositif du laboratoire hongrois ELI ALPS produit des impulsions un milliard de fois plus courtes.

On peut découper une impulsion lumineuse en courtes fenêtres temporelles, comme on découpe un train en wagons. Si deux photons naissent ensemble et que leurs wagons sont rigidement liés — l'arrivée de l'un dans une fenêtre donnée garantit que l'autre est arrivé dans la fenêtre appariée — on appelle cela l'intrication temporelle.

Le laser claque à une fréquence de dix millions de fois par seconde, et chaque clic éjecte du film de polystyrène exactement un photon. Pas un faisceau, pas un paquet, mais une unique particule de lumière, soigneusement emballée dans l'espace et le temps.