Deuxièmes ligne de faisceau pour le SwissFEL

S’ils veulent suivre l’apparition de nouvelles molécules lors de réactions chimiques, ou encore décrypter le fonctionnement de protéines vitales ou de matériaux de composants électroniques, les chercheurs ne tardent pas à se retrouver à la limite. Le déroulement de ces processus est en effet trop rapide pour qu’on puisse les capter en détail. Les lasers à rayons X à électrons libres comme le SwissFEL ouvrent de nouvelles possibilités pour les étudier. Avec des perspectives prometteuses d’application, qui vont de procédés plus respectueux de l’environnement pour l’industrie chimique au développement de nouveaux matériaux pour l’électronique du futur, en passant par le traitement ciblé de certaines maladies.

Le SwissFEL fonctionne de manière analogue à une caméra: une succession accélérée d’images photographiques individuelles donne un film animé. Avec ses impulsions intenses de rayons X, le SwissFEL radiographie les échantillons à étudier durant une fraction de milliard de seconde. Ces instantanés sont enregistrés par des détecteurs et peuvent être appondus les uns aux autres pour former un «film». Le SwissFEL permet de prendre 100 «photos» de ce genre par seconde, que l’on peut combiner ensuite pour composer un film.

Offre taillée sur mesure pour les chercheurs

Les premières expériences pilote au laser à rayons X à électrons libres SwissFEL démarrent cette année. Dès 2018, deux stations d’expérimentation seront mises à disposition des chercheuses et chercheurs de Suisse et du monde entier. Une troisième est actuellement en cours de conception. Les stations sont équipés de différentes possibilités d’expérimentation, qui ont été précisément conçues en fonction des besoins prévisibles de leurs utilisatrices et utilisateurs. Car chaque question sur laquelle ces derniers se penchent – qu’elle relève de la biologie, de la chimie ou de la physique – induit des exigences différentes en termes de dispositif expérimental et de choix de la méthode la plus appropriée pour l’analyse.

Mais le type de rayons X décide aussi de ce que l’on peut le mieux étudier: trois stations d’expérimentation permettent aux chercheurs de mener leurs essais avec ce qu’on appelle des rayons X «durs». La longueur d’onde de ces rayons X est extrêmement courte. Ils sont produits en accélérant des électrons à haute énergie, avant de les contraindre à effectuer un trajet en slalom à travers un agencement d’aimants spéciaux (les onduleurs). C’est à ce moment que les électrons émettent alors de la lumière de type rayons X ayant les propriétés du laser.

Cette lumière de type rayons X très riche en énergie est optimale pour suivre le mouvement des atomes lors de processus ultrarapides. Mais s’ils veulent comprendre précisément ce qui se passe avec des molécules ou des atomes lorsque ces derniers entrent dans une liaison chimique, ou la manière dont ils réagissent à certaines influences externes comme des champs électromagnétiques ou la lumière, les chercheurs ont besoin de rayons X «mous» avec une longueur d’onde plus grande. Motif: en raison de leur énergie moindre comparé au rayons X «durs», ces rayons X «mous» permettent de se focaliser sur les processus qui se jouent dans les couches externes de l’enveloppe des atomes.

Or ces processus revêtent un grand intérêt pour les chercheurs, car ils leur enseignent comment les atomes ou les molécules interagissent. Ils révèlent ainsi ce qui se passe précisément au moment où des liaisons chimiques se constituent. Leur exploration permet par exemple de comprendre le fonctionnement des catalyseurs que l’industrie chimique utilise dans de nombreuses procédures. Et ainsi de contribuer à rendre ces procédures plus écologiques et plus efficientes. Quant à l’étude de ce qui se joue dans l’enveloppe extérieure des atomes, elle permet aux chercheurs de comprendre certains processus vitaux fondamentaux en les radiographiant en profondeur. Ces processus jouent également un rôle important dans l’étude de nouveaux matériaux censés améliorer la performance des composants électroniques, car ils sont responsables de certaines de leurs propriétés essentielles, comme leur conductivité électrique ou leur comportement magnétique.

Deuxième ligne de faisceau dès 2020

Pour toutes ces raisons, une deuxième ligne de faisceau avait déjà été planifiée lors de la construction du bâtiment du SwissFEL. Elle est en construction depuis début 2017. Les travaux se déroulent en parallèle aux préparatifs à la première ligne de faisceau avec rayons X «durs» pour les premières expériences. La deuxième ligne de faisceau produira des rayons X «mous» avec une longueur d’onde plus grande et devrait être mise en service en 2020.

C’est le choix de l’énergie que les électrons atteignent dans l’accélérateur linéaire et des onduleurs qui décide si les rayons X seront «durs» ou «mous». Dans le cas de la première ligne de faisceau, l’agencement technique des onduleurs vise à produire des rayons X avec une longueur d’onde aussi courte que possible. A la deuxième ligne de faisceau, la technologie d’onduleurs utilisée est différente. Mais il n’y a pas que la longueur d’onde: la direction dans laquelle oscille la lumière de type rayons X produite –sa polarisation – joue aussi un rôle décisif. Car suivant la direction d’oscillation avec laquelle elle atteint l’échantillon, la lumière provoque des réactions différentes au niveau de ce dernier. Les chercheurs ont donc la possibilité d’étudier chaque fois des aspects différents de l’échantillon – comme avec le filtre polarisant d’une caméra. Ils peuvent régler eux-mêmes la polarisation souhaitée, ce qui leur permet de résoudre leurs questions de recherche de manière encore plus spécifique.

Les coûts de la deuxième ligne de faisceau s’élèvent à quelque 44 millions de francs et sont supportés en grande partie par la Confédération. Le canton d’Argovie participe au financement à hauteur de 4 millions de francs prélevés sur son Fonds de loterie Swisslos. Les coûts du SwissFEL avec la première ligne de faisceau s’élèvent à quelque 275 millions de francs. Un montant auquel le canton d’Argovie contribue à hauteur de 30 millions de francs.

Texte: Institut Paul Scherrer/Martina Gröschl