Photographie des rayons X diffusés élastiquement (lumière jaune vif) et des rayons X diffusés par les plasmons (lumière violette faible). Crédit : T. Gawne/CASUS
Des chercheurs de l’European XFEL ont mis au point une méthode innovante pour étudier la matière dense et chaude avec une précision sans précédent. Ce type de matière, qui se situe entre la matière condensée et la physique des plasmas, peut être trouvée, par exemple, dans des objets astrophysiques ou est créée lors de la fusion par confinement inertiel.
Pour les scientifiques contributeurs du Centre pour la compréhension des systèmes avancés (CASUS), cette avancée constitue une aide précieuse dans leur mission qui consiste à élever l’analyse de la matière dense et chaude sur une base solide. L’étude est publiée dans Physical Review B.
L’étude des objets astrophysiques est un défi majeur. Les conditions y sont extrêmes : températures élevées et densités immenses. Ici sur Terre, il en va de même pour l’étude des capsules de fusion par confinement inertiel pendant la phase d’implosion.
Ces conditions peuvent être réunies sur l’instrument HED (High Energy Density) du XFEL européen, grâce aux puissants moteurs fournis par le consortium HiBEF (Helmholtz International Beamline for Extreme Fields). Grâce aux brillants flashs de rayons X du XFEL européen, les scientifiques peuvent désormais étudier cet état exotique de la matière de plus près que jamais auparavant.
Matière dense et chaude : un phénomène exceptionnel
Nous pensons généralement que la matière sur Terre existe à l’état solide, liquide ou gazeux. Plus loin dans l’espace, on peut également découvrir de la matière sous forme de plasma, caractérisée comme un gaz chaud et ionisé. Cependant, à des températures élevées et à des densités immenses, comme celles que l’on trouve dans les étoiles ou lorsque des météores s’écrasent sur des planètes, la matière ne peut pas être facilement décrite comme solide ou comme un plasma et est plutôt appelée matière dense et chaude.
La matière dense et chaude est trop chaude pour être décrite par la physique de la matière condensée et trop dense pour la physique du plasma. En général, la matière dense et chaude se produit à des températures de 5 000 à plusieurs centaines de milliers de kelvins et à des pressions plusieurs centaines de milliers de fois supérieures à la pression atmosphérique.
Découverte grâce à la diffusion Thomson des rayons X à ultra-haute résolution
Une équipe dirigée par Thomas Preston de l’instrument HED de l’European XFEL a étudié la structure et les propriétés des plasmons dans l’aluminium ambiant. Les plasmons sont des oscillations collectives d’électrons et jouent un rôle décisif dans les propriétés optiques des métaux, des semi-conducteurs et de la matière dense et chaude.
Une méthode importante pour étudier les excitations dans les solides ainsi que dans la matière dense et chaude est la diffusion Thomson des rayons X. Dans ce cas, un photon de rayons X est diffusé dans le matériau et perd de l’énergie et de l’impulsion en excitant un plasmon. Avec un spectromètre, les scientifiques peuvent identifier ces photons qui ont perdu de l’énergie du faisceau principal de rayons X et qui sont simplement diffusés de manière élastique.
Contrairement aux travaux précédents, qui ne pouvaient mesurer ces excitations avec des rayons X qu’avec une faible résolution de l’ordre de quelques électronvolts, l’équipe de Preston et les scientifiques contributeurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ainsi que de l’institut HZDR CASUS ont maintenant enregistré des spectres de diffusion Thomson de rayons X à ultra-haute résolution avec une résolution énergétique améliorée de plus de dix fois, ce qui signifie qu’ils ont atteint une résolution inférieure à cent milliélectronvolts.
Comme le rapporte l’équipe, la nouvelle configuration a permis d’étudier en détail la structure et les propriétés des plasmons dans l’aluminium.
« Nous avons réalisé que nous pouvions réutiliser une configuration existante conçue pour effectuer des mesures de vibrations dans les solides avec une résolution encore plus élevée, qui présentent des pertes d’énergie bien inférieures à la diffusion d’un plasmon, en fait seulement quelques dizaines de milliélectronvolts », explique Preston.
« Grâce à un choix judicieux de l’énergie de nos rayons X, nous pouvons mesurer des pertes d’énergie allant jusqu’à 40 électronvolts avec une résolution similaire. La précision de nos mesures a permis d’éliminer les écarts de longue date entre les simulations et les observations expérimentales », explique Preston.
Dans ses travaux futurs, l’équipe a l’intention d’utiliser cette méthode pour évaluer les simulations de plasmons à des températures et des compressions plus élevées.
Perspectives d’avenir
« Ces nouvelles capacités passionnantes du XFEL européen permettent d’obtenir des informations sans précédent sur le comportement de la matière dans des conditions extrêmes », explique l’auteur principal Thomas Gawne du groupe de jeunes chercheurs « Frontiers of Computational Quantum Many-Body Theory » dirigé par Tobias Dornheim.
Dornheim prévoit de rendre l’évaluation de la diffusion Thomson des rayons X accessible au-delà du petit groupe d’experts en simulation de systèmes à plusieurs corps. S’il y parvient, les physiciens laser de l’European XFEL et d’ailleurs pourraient concevoir leurs expériences d’une manière plus ciblée qu’il n’est possible aujourd’hui.
Thomas Preston souligne les possibilités de collaboration avec des groupes théoriques, en particulier avec les scientifiques de CASUS, en déclarant : « La combinaison unique de la théorie de pointe de CASUS et du HZDR ainsi que les expériences de pointe de l’instrument HED de l’European XFEL ouvrent des possibilités totalement nouvelles pour la science. La relation entre la mesure et la simulation est essentielle pour pouvoir conduire et informer de nouvelles expériences passionnantes. »
Pour lui, cet effort commun n’est pas seulement pertinent pour l’étude des conditions de matière dense et chaude dans les objets astrophysiques, mais aussi pour la recherche sur la fusion par confinement inertiel, une voie prometteuse de production d’énergie basée sur des réactions de fusion nucléaire qui pourrait éventuellement devenir une source d’énergie respectueuse du climat et pratiquement inépuisable.
Plus d’information:
Thomas Gawne et al, Mesures de diffusion Thomson des rayons X à ultra-haute résolution au laser européen à électrons libres à rayons X, Physical Review B (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.109.L241112
Fourni par l’Association Helmholtz des centres de recherche allemands
Citation:Les chercheurs européens atteignent un niveau inégalé dans les mesures de la matière dans des conditions extrêmes (2024, 11 juillet) récupéré le 11 juillet 2024 à partir de
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2024-07-11 17:46:27
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