SwissFEL observe des états quantiques par rayons X à des températures extrêmement basses

Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse ont récemment annoncé que la station expérimentale Cristallina du laser à électrons libres suisse (SwissFEL) peut désormais observer, à des températures proches du zéro absolu, des états quantiques qui n'apparaissent qu'à des températures extrêmement basses, grâce à la diffusion des rayons X.

Simon Gerber (à gauche) et Bill Pedrini (à droite) à la station expérimentale Cristallina du SwissFEL. Grâce à un cryostat sur mesure connecté à la ligne de faisceau (à l'extrême gauche), il est désormais possible d'étudier les états quantiques à des températures extrêmement basses. Institut Paul Scherrer PSI / Markus Fischer

Selon les informations fournies, l'équipe de recherche a récemment atteint une température de 35 millikelvins lors de ses expériences, soit environ 0,035 kelvin au-dessus du zéro absolu. Il s'agit de la température la plus basse atteignable avec l'installation expérimentale actuelle. Les chercheurs concernés indiquent que, à leur connaissance, il s'agit également de la température la plus basse jamais atteinte lors de mesures par diffusion de rayons X.

Les températures extrêmement basses sont essentielles à la recherche quantique. De nombreux états quantiques spéciaux n'apparaissent qu'à des températures proches du zéro absolu. L'objectif de l'équipe de recherche est d'imager les états quantiques et leurs processus dynamiques dans cette plage de températures à l'aide du SwissFEL, afin d'observer des phénomènes transitoires qui étaient auparavant difficiles à capturer directement.

L'approche expérimentale s'inspire du principe de « diffraction avant destruction » utilisé en biologie structurale. Les expériences de rayons X entraînent généralement un échauffement de l'échantillon et des dommages par radiation, mais les impulsions du laser à électrons libres à rayons X sont extrêmement brèves, généralement de quelques dizaines de femtosecondes ou moins, tout en étant très intenses, ce qui permet d'enregistrer les informations structurelles instantanées de l'échantillon avant qu'il ne soit chauffé ou endommagé.

Les chercheurs décrivent le SwissFEL comme une caméra ultra-rapide destinée au monde atomique : après avoir refroidi l'échantillon à une température extrêmement basse, une impulsion de rayons X intense est utilisée pour prendre un « instantané », capturant l'état quantique avant que le chauffage par rayons X ne le supprime. La mise en service de cette station expérimentale ouvre une nouvelle fenêtre d'observation pour les états quantiques à basse température, la dynamique quantique et la recherche sur les matériaux.