SwissFEL: Athos fait de grands progrès

Le 17 décembre, le moment était venu: les chercheurs ont démarré un premier essai pour voir si Athos était capable de fournir de la lumière de type rayons X. Une lumière grâce à laquelle cette deuxième ligne de faisceaux permettra des analyses complètement nouvelles. Personne ne pouvait partir du principe que le premier essai serait un succès: après tout, seule une petite portion du dispositif prévu était en place, celle où la lumière laser est produite. «Nous nous sommes dit que nous allions quand même essayer, raconte Romain Ganter, physicien au Laboratoire de technologies d’accélérateurs et chef de projet pour la partie accélérateurs d’Athos. Et effectivement, ça a fonctionné! Nous-mêmes, nous avons été surpris.»

Ce «first lasing» a constitué un jalon important. «Le projet Athos est ainsi dans la dernière ligne droite, explique Luc Patthey, directeur du Laboratoire de photonique appliquée et chef de projet de la partie optique et des expériences à Athos. Le prochain jalon, ce sera l’arrivée du faisceau laser dans la station expérimentale.»

Slalom d’électrons

Dans le laser à électrons libres SwissFEL, un faisceau d’électrons est dévié par des aimants de sa trajectoire rectiligne sur un parcours de plusieurs dizaines de mètres et amené sur une trajectoire en slalom. Ce faisant, de la lumière de type rayons X est générée, et elle s’amplifie pour devenir un faiseau laser dans le domaine des rayons X. Aramis, la première ligne de faisceaux au SwissFEL, a été mise en service en 2017. Athos devrait suivre cette année. Une fois qu’elle sera achevée, cette ligne de faisceaux devrait fournir 100 impulsions de rayons X par seconde.

Contrairement à Aramis, Athos émet des rayons X moins riches en énergie. Les chercheurs parlent de rayons X «mous». Ceux-ci permettent des analyses tout à fait différentes. Alors qu’Aramis donne la possibilité de dévoiler les secrets d’atomes pris un à un, les chercheurs ont pour objectif avec Athos de visualiser des molécules dans des réactions chimiques en cours et d’étudier les propriétés de ce qu’on appelle les matériaux quantiques, précise Luc Patthey.

En termes de design également, Athos est différente de sa ligne de faisceaux voisine. «Il n’y a nulle part ailleurs au monde un laser à rayons X avec ce type de configuration», explique Romain Ganter avec fierté. Dans la nouvelle ligne de faisceaux, deux types de composants alternent sur une distance de 60 mètres: des onduleurs (dans lesquels se succèdent 800 aimants qui contraignent les électrons sur une trajectoire en slalom) et des chicanes (des aimants supplémentaires mais plus puissants). «Les chicanes permettent de comprimer en longueur ou de déplacer de manière transversale les différents paquets d’électrons en forme de cigare qui composent un faisceau d’électrons», détaille Romain Ganter.

Succès précoce

Lorsque la construction d’Athos sera terminée, ce seront 16 onduleurs et 15 chicanes qui alterneront. Le 17 décembre, seuls deux onduleurs avec une chicane entre-deux étaient disponibles. Mais cela a quand même suffi. «Dès que nous avons mis la chicane en service, nous avons vu à l’écran de la salle de contrôle le disque diffus qui représentait la lumière de type rayons X s’agglomérer et former un tout petit spot intense, se réjouit Romain Ganter. Nous avions un rayon laser de type rayons X!»

Selon le chercheur, cela montre que tout fonctionne parfaitement et que le faisceau d’électrons est de grande qualité.

Une autre particularité d’Athos, unique au monde également, réside dans l’agencement cruciforme des onduleurs. Cela permet de déplacer quatre rangées d’aimants dans différentes directions, indépendamment les unes des autres, et ainsi de modifier au besoin les propriétés du faisceau de rayons X avec une grande flexibilité.

«Pour les chercheurs qui conduiront les expériences, les choses ne vont pas tarder à être très intéressantes», assure Romain Ganter.

La première station expérimentale, baptisée Maloja, est actuellement en construction. Les chercheurs pourront y étudier les électrons des couches périphériques des atomes ausein de molécules et ainsi en apprendre davantage sur la dynamique à l’œuvre lors de certaines réactions chimiques. 

Texte: Institut Paul Scherrer/Brigitte Osterath