Des physiciens de la TU Wien à Vienne et de l’université de Californie à San Diego ont franchi une limite physique vieille de trente ans en produisant, en août 2026, des impulsions de rayons X dont l’énergie surpasse le modèle théorique de référence. Cette avancée exploitant deux électrons intriqués dans un atome d’hélium prolonge les travaux récompensés par le prix Nobel de physique 2023.
L’hélium dépasse la limite classique
Un plafond que la physique des lasers tenait pour infranchissable depuis trois décennies vient d’être repoussé. Deux équipes de recherche, basées à la TU Wien à Vienne et à l’université de Californie à San Diego, ont publié dans la revue Nature Photonics un résultat inédit qui échappait au modèle de référence établi dans les années 1990.
L’expérience s’appuie sur un atome particulièrement simple. L’hélium ne compte que deux électrons liés à son noyau et caractérisés par de fortes interactions mutuelles.
Le procédé repose sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé, ou HHG. Il transforme la lumière d’un laser ordinaire en impulsions énergétiques dans l’ultraviolet extrême et les rayons X.
Un électron est arraché à son atome, accéléré par le champ électrique, puis ramené vers son point de départ pour libérer un éclair de lumière à haute fréquence. Ce mécanisme à un seul partenaire impose une barrière énergétique stricte appelée coupure, au-delà de laquelle le signal s’effondre.
Les électrons intriqués ouvrent la fenêtre de l’eau
Sous la direction de Tenio Popmintchev, les équipes ont testé ce qui se produisait lorsque deux électrons agissaient de concert. En concentrant des impulsions laser ultraviolettes intenses dans un guide d’ondes creux rempli d’hélium, des physiciens de la TU Wien à Vienne et de l’université de Californie à San Diego ont observé que les deux particules, après avoir été arrachées et ramenées au même instant, n’avaient jamais totalement rompu leur lien quantique.
Au lieu de libérer leur énergie séparément, les deux électrons l’ont restituée en un unique photon de rayon X d’une énergie bien supérieure à celle autorisée par le modèle classique.
Le spectre obtenu révèle une seconde zone d’émission soutenue. C’est un plateau secondaire atteignant environ 280 électronvolts.
Cette bande énergétique pénètre dans la fenêtre de l’eau. C’est une plage de rayons X très convoitée par les biologistes car elle permet d’imager le vivant sans que l’eau n’absorbe l’intégralité du signal.
| Gaz utilisé | Nombre d’électrons | Corrélations entre électrons | Résultat observé |
|---|---|---|---|
| Hélium | 2 | Très fortes, isolées du reste | Plateau secondaire jusqu’à environ 280 eV |
| Néon | 10 | Masquées par les couches internes | Aucun signal au-dessus de la limite classique |
| Argon | 18 | Diluées dans un cortège plus dense | Aucun signal au-dessus de la limite classique |
Les sources de SLAC sondent les plasmas
Les applications de ces impulsions attosecondes touchent également le domaine des plasmas et des états électroniques ultra-rapides. L’utilisation de ces sources à SLAC a permis d’obtenir des rayons X de haute énergie capables de pénétrer des plasmas denses sans que le système n’ait le temps de relaxer ou de recombiner avant la mesure.
Plasma physics is very messy.
Sam Vinko, professor of physics at the University of Oxford, via Stanford
Normalement, l’excitation d’un échantillon entraîne une relaxation trop rapide pour permettre une extraction directe des données. Cela contraint les physiciens à s’en remettre à des modélisations.
L’interaction lumière-matière gagne en précision
Au-delà de la résolution temporelle, les impulsions attosecondes dures offrent la possibilité d’outrepasser les dégradations infligées aux états électroniques par les rayons X eux-mêmes. En capturant l’état électronique dans sa forme pristine, les chercheurs parviennent à devancer les dommages structurels, ouvrant la voie à une amélioration de la résolution spatiale en imagerie de diffraction.
Les impulsions de rayons X provoquent elles-mêmes des dommages aux états électroniques de la matière, mais grâce aux impulsions attosecondes, nous pouvons capturer l’état électronique dans son état primitif, en devançant pour ainsi dire les dommages.
Inoue, via Stanford
Les travaux menés par des groupes comme celui dirigé par Tais Gorkhover à l’université de Hamburg démontrent que ces technologies permettent de dissocier les dynamiques nucléaires et électroniques. Gorkhover a également souligné qu’au-delà de la résolution, ces impulsions constituent un instrument inédit pour maîtriser l’interaction de la lumière avec la matière, entrevu jusqu’ici uniquement dans les projections théoriques des chercheurs