Qu'est-ce que la source de photons avancée? Comment sont fabriqués les faisceaux de rayons X ultra-lumineux

Il est 4 heures du matin et je suis debout depuis environ 20 heures de suite. Une alarme forte retentit, accompagnée de clignotants clignotants rouges. Une voix sévère annonce: «Recherche de la station B. Quittez immédiatement.» Cela ressemble à une urgence, mais ce n’est pas le cas. En fait, l'alarme s'est déjà déclenchée 60 ou 70 fois aujourd'hui. C’est un avertissement, signalant à tout le monde dans les environs que je suis sur le point de lancer un faisceau de rayons X de haute puissance dans une petite pièce remplie d’appareils électroniques et de panaches d’azote liquide en train de se vaporiser.

Au centre de cette pièce, appelée station B, j'ai placé un cristal pas plus épais qu'un cheveu humain sur le bout d'une petite fibre de verre. J'ai préparé des dizaines de ces cristaux et tente de les analyser tous.

Ces cristaux sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs organiques, utilisés pour la fabrication de puces informatiques, de lumières LED, d’écrans de smartphones et de panneaux solaires. Je veux savoir précisément où se trouve chaque atome dans les cristaux, leur densité et leur interaction, et comment ils interagissent les uns avec les autres. Cette information m'aidera à prédire à quel point l'électricité les traversera.

Pour voir ces atomes et déterminer leur structure, j'ai besoin de l'aide d'un synchrotron, qui est un énorme instrument scientifique contenant une boucle d'électrons de plusieurs kilomètres parcourant un zoom proche de la vitesse de la lumière. J'ai aussi besoin d'un microscope, d'un gyroscope, d'azote liquide, d'un peu de chance, d'un collègue surdoué et d'un tricycle.

Mise en place du cristal

La première étape de cette expérience consiste à placer les cristaux super-minuscules sur le bout de la fibre de verre. J'utilise une aiguille pour gratter un tas d'entre eux sur une lame de verre et les mettre sous un microscope. Les cristaux sont magnifiques - colorés et facettés comme de petites pierres précieuses. Je me trouve souvent transpercé, regardant au microscope avec des yeux privés de sommeil et refocalisant mon regard avant de cajoler péniblement un sur la pointe d'une fibre de verre.

Une fois que le cristal est attaché à la fibre, je commence la tâche souvent frustrante de centrer le cristal sur la pointe d'un gyroscope à l'intérieur de la station B. Cet appareil fera tourner le cristal, lentement et continuellement, me permettant d'obtenir X- ray images de tous les côtés.

Lorsqu’elle tourne, la vapeur d’azote liquide est utilisée pour la refroidir: même à la température ambiante, les atomes vibrent dans les deux sens, ce qui rend difficile l’obtention d’images claires. Refroidir le cristal à moins 196 degrés Celsius, la température de l'azote liquide, fait que les atomes ne bougent plus autant.

Photographie aux rayons X

Une fois le cristal centré et refroidi, je ferme la station B et, à partir d’un centre de contrôle d’ordinateur situé à l’extérieur, envoie un échantillon de rayons X sur l’échantillon. L'image résultante, appelée motif de diffraction, est affichée sous forme de points lumineux sur un fond orange.

Ce que je fais n’est pas très différent de prendre des photos avec un appareil photo et un flash. Je suis sur le point d’envoyer des rayons lumineux sur un objet et d’enregistrer comment la lumière le réfléchit. Mais je ne peux pas utiliser la lumière visible pour photographier des atomes - ils sont trop petits et les longueurs d’onde de la lumière dans la partie visible du spectre sont trop grandes. Les rayons X ont des longueurs d'onde plus courtes, ils vont donc se diffracter ou rebondir sur des atomes.

Cependant, contrairement à un appareil photo, les rayons X diffractés ne peuvent pas être focalisés avec un simple objectif. Au lieu d’une image de type photographie, les données que je recueille sont un schéma flou de la position des rayons X après leur rebond sur les atomes de mon cristal. Un ensemble complet de données sur un cristal est constitué de ces images prises sous tous les angles tout autour du cristal lorsque le gyroscope le fait tourner.

Math avancé

Mon collègue, Nicholas DeWeerd, est assis à proximité et analyse les ensembles de données que j'ai déjà collectés.Il a réussi à ignorer les alarmes sonores et les lumières clignotantes pendant des heures, regardant fixement les images de diffraction sur son écran pour transformer les images de rayons X de tous les côtés du cristal en une image des atomes à l'intérieur du cristal lui-même.

Ces dernières années, il avait peut-être fallu des calculs minutieux à la main pendant des années, mais il utilise maintenant la modélisation informatique pour rassembler toutes les pièces. Il est l’expert non officiel de notre groupe de recherche dans cette partie du puzzle et il adore ça. «C’est comme Noël!» L’entendis-je murmurer alors qu’il feuilletait des images scintillantes de motifs de diffraction.

Je souris de l'enthousiasme qu'il a réussi à maintenir si tard dans la nuit, alors que je lance le synchotron pour obtenir mes images du cristal perché à la station B. Je retiens mon souffle alors que des schémas de diffraction apparaissant sous les premiers angles apparaissent à l'écran. Tous les cristaux ne diffractent pas, même si tout est parfaitement réglé. C’est souvent parce que chaque cristal est composé de beaucoup de cristaux encore plus petits collés ensemble, ou de cristaux contenant trop d’impuretés pour former un motif cristallin répété que nous pouvons résoudre mathématiquement.

Si celui-ci ne fournit pas d’images nettes, je devrai tout recommencer et en configurer un autre. Heureusement, dans ce cas, les premières images qui apparaissent affichent des points de diffraction clairs et lumineux. Je souris et m'assieds pour collecter le reste de l'ensemble de données. Maintenant, alors que le gyroscope tourbillonne et que le faisceau de rayons X souffle sur l'échantillon, j'ai quelques minutes pour me détendre.

Je boirais du café pour rester alerte, mais mes mains tremblent déjà de surcharge de caféine. Au lieu de cela, j'appelle Nick: «Je vais faire un tour.» Je me dirige vers un groupe de tricycles assis à proximité. Normalement utilisé uniquement pour contourner le grand bâtiment contenant le synchrotron, je le trouve tout aussi utile pour une tentative désespérée de se réveiller avec un peu d'exercice.

Pendant que je roule, je pense au cristal monté sur le gyroscope. J'ai passé des mois à le synthétiser et je vais bientôt en avoir une photo. Avec la photo, je comprendrai si les modifications que j’y ai apportées, qui la rendent légèrement différente de celle d’autres matériaux que j’ai apportés dans le passé, l’ont améliorée. Si je vois des preuves d'un meilleur garnissage ou d'une augmentation des interactions intermoléculaires, cela pourrait signifier que la molécule est un bon candidat pour les tests sur des dispositifs électroniques.

Épuisé, mais heureux parce que je collecte des données utiles, je pédale lentement autour de la boucle, notant que le synchrotron est en forte demande. Lorsque le faisceau est en marche, il est utilisé 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, c’est pourquoi je travaille toute la nuit. J'ai eu la chance d'avoir un créneau horaire du tout. À d'autres stations, d'autres chercheurs comme moi travaillent tard dans la nuit.

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation par Kerry Rippy. Lisez l'article original ici.