SYNCHROTRON RAYONNEMENT

L'application du rayonnement synchrotron

Pendant longtemps, le domaine des rayons X a été caractérisé par des sources peu brillantes (tubes à rayons X) et par une optique peu performante puisque les rayons X n'étant pas réfractés par les matériaux, il n'était pas possible de faire des lentilles comme dans le visible. Les ondulateurs (structures métalliques, de quelques mètres de longueur, présentant un champ magnétique périodique et que l'on installe sur les sections droites des anneaux de stockage) donnaient des gains en brillance de l'ordre de 10¹⁰ par rapport au tube à rayons X. En outre, des lentilles de Fresnel dans le domaine des rayons X mous nous permettent de focaliser sur un diamètre de 30 nanomètres et des zones de Bragg-Fresnel dans la région 5-50 kiloélectronvolts sur moins de 1 micromètre.

En 1993, il a été montré à l'E.S.R.F. (European Synchrotron Radiation Facility) de Grenoble que la lumière émise par un ondulateur, après monochromatisation et passage à travers un trou de 4 micromètres, est parfaitement cohérente. Cela veut dire que des expériences faites dans le visible avec des lasers deviennent possibles à 10 kiloélectronvolts.

Utilisation en physique

Ce rayonnement donne une impulsion nouvelle à l'étude de phénomènes fondamentaux : étude des électrons des couches atomiques profondes et de leurs corrélations dans les atomes, détermination directe de la structure de bandes des solides, détermination de la bande interdite (gap) dans les supraconducteurs à haute température, des propriétés électroniques des surfaces ou des liaisons chimiques d'absorbats, étude des molécules simples n'absorbant que dans l'ultraviolet lointain et de leur évolution photochimique (dissociation, ionisation, recombinaison directe). Ces études font appel à des méthodes spectroscopiques diverses, adaptées à ces longueurs d'onde : absorption, réflectivité, fluorescence, analyse énergétique et analyse des photoélectrons et des photons ions, ou encore diffraction, diffusion inélastique et diffusion Compton dans le domaine des rayons X.

La pression qui règne au centre de la Terre ou dans les planètes géantes est de l'ordre de 300 ou 400 gigapascals. On sait aujourd'hui reproduire ces pressions en laboratoire grâce aux enclumes en diamant. Mais l'obtention de pressions aussi élevées ne peut s'obtenir que sur des volumes très petits (de quelques micromètres cubes). Il est donc nécessaire d'avoir une source très brillante et la possibilité de focaliser les rayons X sur quelques micromètres carrés pour étudier sous très haute pression un des éléments les plus intéressants du tableau périodique, l'hydrogène. Des modèles théoriques montrent en effet que, vers 250 gigapascals, ce solide moléculaire devrait devenir métallique et supraconducteur à 260 kelvins.

Pendant longtemps, l'étude du magnétisme a été l'apanage des neutrons : cela est en train de changer grâce à la photoémission angulaire résolue en spin qui permet d'obtenir la structure de bandes des électrons majoritaires et minoritaires, à la diffraction magnétique résonante et au dichroïsme sur les niveaux de cœur.

De nombreuses techniques nouvelles ont vu le jour : la diffraction de surface (sous incidence rasante), qui permet d'étudier la reconstruction des surfaces et les interfaces, la diffraction magnétique (trop faible pour être détectée avec des tubes à rayons X), le dichroïsme sur les niveaux de cœur, qui permet de mesurer directement la partie orbitale et de spin du moment magnétique de matériaux, la microscopie à rayons X avec une résolution de 30 nanomètres, la diffraction nucléaire.

Utilisation en chimie

L'analyse chimique par fluorescence X excitée par le rayonnement synchrotron est actuellement la méthode la plus sensible pour déterminer des traces d'éléments. Le spectre d'absorption X d'un élément en phase condensée présente un seuil brutal à une longueur d'onde λ_s, puis des oscillations lorsque λ < λ_s : ces oscillations proviennent des interférences entre les ondes associées à l'électron excité, l'onde sphérique issue de l'élément considéré et les ondes réfléchies par les atomes voisins. Il est possible d'extraire des informations structurales à partir de ces oscillations : nombre d'atomes voisins et distance par rapport à l'atome excité. De plus, cette nouvelle méthode d'analyse appelée EXAFS (extended X-ray absorption fine structure) permet de signer l'élément choisi puisque la longueur d'onde du seuil λ_s, qui correspond à une excitation d'un électron à partir d'une couche K ou L, est caractéristique du numéro atomique Z de l'élément. Cette méthode, qui peut aussi s'appliquer aux surfaces, a connu un grand développement, car elle peut être appliquée aux liquides, aux solides amorphes ou cristallins et donne des renseignements complémentaires avec ceux qui sont obtenus en diffraction ou en diffusion. Elle permet de plus des mesures cinétiques à l'échelle de la milliseconde, ce qui est important pour l'étude des systèmes en évolution, changement de phase, déformation de matériaux, déplacement de parois de domaine magnétique, évolution de polymères non stabilisés, catalyseurs.

Utilisation en biologie et en médecine

Le rayonnement synchrotron est de plus en plus utilisé dans l'étude des matériaux biologiques. Sa grande intensité permet de déterminer la structure tridimensionnelle de protéines et de virus de très grandes tailles (∼ 100 nm) par diffraction de rayons X. Or il existe une relation entre cette structure et la fonction biologique. Il permet aussi d'étudier l'évolution dans le temps de changements dans les structures (contraction musculaire par exemple). Des clichés de Laue (diffraction en faisceau blanc) sur des petites protéines ont pu être enregistrés en 50 picosecondes (10^–12 s).

Des expériences de tomographie et d'angiographie à longueur d'onde variable ont donné des résultats intéressants sur des patients. Toutefois, ces techniques n'en sont pour l'instant qu'à un stade de recherche.

L'étude spectroscopique résolue dans le temps de chromophores (molécules fluorescentes) naturels ou judicieusement fixés par les biochimistes dans des échantillons donne des informations sur leur environnement (par exemple, la durée radioactive des molécules de tryptophane le long de la chaîne protéique dans l'hémoglobine varie avec la concentration en oxygène et fournit des informations sur le mécanisme de fixation de celui-ci).

Enfin, les microscopes à rayons X mous donnent des images de cellules vivantes (contrairement au microscope à électrons) avec des résolutions de 30 nanomètres et avec d'excellents contrastes.

Lithographie-microfabrication

Au milieu des années 1990, [...]

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Brillance du rayonnement synchrotron
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Émission synchrotron d'un électron accéléré
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