Imagerie nanométrique monocoup avec une source harmonique de rayons X mous

 

Merci de lciquer ici pour accéder au nouveau site web Ultrafast Nanophotonics   

 

Imaging individual objects with few nanometers resolution in space and few femtoseconds resolution in time is of fundamental importance in many areas of science and represents today a fascinating challenge. Advances in coherent x-ray diffraction have demonstrated the very high potential in imaging single non periodic nanometer scale structures [Miao, Nature 400 (1999); Pfeifer et al., Nature 442 (2006)]. Imaging from coherent X-ray diffraction is elegant in its experimental simplicity: a coherent X-ray beam illuminates the object under study and one measures the far-field diffraction pattern on an area detector (proportional to the modulus squared of the Fourier transform of the wave exiting the object). Inverting the diffraction pattern into an image in real space requires retrieving the phases of the diffracted far-field, this being achieved through an iterative algorithm (image retrieved shown at the bottom right in the figure). The lensless imaging has been recently demonstrated – in the single-shot regime [Chapman et al. Nature Phys 461 (2006)], and even in the time-resolved pump-probe scheme [Barty et al. Nature Phys (2008)] – at 13.5 nm on the VUV-FEL FLASH.

 

Imager des objets individuels avec une résolution spatiale de quelques nanomètres et une résolution temporelle de quelques femtosecondes revêt une importance fondamentale dans de nombreux domaines de la science et constitue aujourd’hui un défi fascinant. Les progrès de la diffraction cohérente de rayon X ont démontré le très grand potentiel de cette technique pour imager des structures nanométriques uniques et non périodiques[Miao, Nature 400 (1999); Pfeifer et al., Nature 442 (2006)]. L’imagerie par diffraction X cohérente est élégante par sa simplicité expérimentale : un faisceau de rayons X cohérents illumine l’objet étudié et la figure de diffraction est mesurée dans le champ lointain sur un détecteur à résolution spatiale (le signal est proportionnel au carré du module de la transformée de Fourier de l’onde issue de l’objet.) Pour inverser la figure de diffraction et ainsi obtenir une image dans l’espace réel, il est  nécessaire de connaitre les phases du champ sur le détecteur. Ceci est réalisé par un algorithme itératif (la figure montre en bas à droite l'image reconstruite). L’imagerie sans lentille a récemment été démontrée – dans le régime mono coup [Chapman et al. Nature Phys 461 (2006)], et même dans un dispositif pompe sonde donnant une résolution temporelle [Barty et al. Nature Phys (2008)] – à 13,5 nm sur le Laser à Electrons Libres FLASH.
 

 

 

Ces résultats spectaculaires valident le concept d’imagerie ultra-rapide de dynamiques nanométriques par diffraction mono-coup, dans des matériaux nanométriques ou des systèmes biologiques (cellules, virus).

 

Accéder à des dynamiques non répétitives et ultrarapides pertinentes dans des processus essentiels de la biologie, de la physique ou de la chimie requiert l’obtention de figures de diffraction mono-coups. Jusqu’à présent, cette possibilité était réservée aux sources femtosecondes intenses de rayons X mous  cohérents issues de lasers à électrons libres. Les sources cohérentes et ultra-courtes de rayons X contrôlées par laser  proposent une alternative comparativement bon marché et largement disponible. Cependant leur brilliance a jusqu’à présent restreint leur utilisation à des phénomènes statiques, pour lesquels les signaux peuvent être accumulés sur des millions de tirs [Sandberg et al., PNAS 105 (2008)]. Notre groupe a levé ce verrou en utilisant une source harmonique très intense, générant des énergies jusqu’à des microjoules (cf. Figure). Elle est contrôlée par un laser femtoseconde standard et commercial et utilise des conditions d’accord de phase améliorées. Des figures de diffraction d’objets isolés ont été obtenues en un seul tir laser à 32 nm, avec un temps d’intégration de 20 fs, et une résolution spatiale de 140 nm. La résolution optimale obtenue atteint 60 nm dans une configuration multi-coups (cf. Figure)

 

La synchronisation naturelle de la génération d’harmoniques avec le laser de pompe conduit à du bruit de synchronisation inférieur à la femtoseconde, et facilite grandement les études résolues en temps.
Finalement, l’accès à la diffraction cohérente et ultra-rapide dans le domaine X en utilisant des sources X compactes va étendre les études dynamiques de systèmes mésoscopiques des installations à grande échelle vers des installations de la taille d’un laboratoire.

 

Coordinateurs du projet :  H. Merdji - W. Boutu
Collaborateurs: M. Billon, M. Géléoc, B. Carré, H. Pérez
Post-doc : Bianca Iwan, Mathieu Ducousso
Thésards : Fan Wang, Aura-Inès Gonzalez
Post-doc precedents : A. Ravasio, J-P.Caumes, M. Kos, A.M. Pena

Contact:

 


Le programme associe le Laboratoire de Photophysique et Nanostructures (LPN), le Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), le groupe d’optique du synchrotron SOLEIL, le département de biophysique de l’Université d’Uppsala et le PULSE Center à SLAC/Stanford University.


 

 

Maj : 19/09/2018 (1126)

Retour en haut