Un nanoplasma est un groupe d’atomes ionisés de la taille de quelques nanomètres. L’étude du nanoplasma est importante car elle permet de mieux comprendre le phénomène d’ionisation, notamment le mécanisme exact par lequel les atomes perdent leurs électrons. Une meilleure compréhension de ces processus permettrait d’améliorer les nanotechnologies et les technologies nucléaires actuelles. Une équipe de physiciens a pour la première fois réussi à observer la formation d’un nanoplasma en détails.

L’étude des plasmas est cruciale dans plusieurs domaines de la physique, un tel état de la matière se retrouvant aussi bien au cœur des étoiles que dans les prototypes de réacteurs à fusion nucléaire actuels.

Pour ce faire, les physiciens japonais du RIKEN ont utilisé un type bien spécifique de laser à rayons X : un laser à électrons libres (XFEL). L’expérience a été réalisée grâce au SPring-8 Angstrom Compact free electron LAser (SACLA) et les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review X.

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Utiliser les rayons X pour obtenir des détails sur de très petites structures est une pratique courante. Leurs longueurs d’onde compactes permettent l’étude d’objets ou de phénomènes qui échappent à la précision des microscopes optiques ordinaires. Cependant, cette approche n’est pas sans conséquences ; l’impact relativement brutal des rayons X sur la cible peut causer des effets collatéraux parfois difficiles à différencier des effets attendus.

Récemment, une équipe de physiciens américains a utilisé cette même technique grâce au laser à électrons libres du Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC National Accelerator Laboratory, afin d’étudier l’ionisation de l’eau.

Une impulsion laser à rayon X a chauffé les molécules d’eau à une température supérieure à celle du noyau terrestre en 75 femtosecondes (1 fs = 10−15 seconde), transformant les molécules en une « soupe » d’ions et d’électrons libres.

nanoplasma ionisation laser rayons X

L’impulsion d’un laser à électrons libres (rayons X) femtoseconde permet d’ioniser le groupe d’atomes de xénon, leur arrachant plusieurs électrons afin de créer un nanoplasma. Crédits : Yoshiaki Kumagai & al.

Cette fois-ci, les physiciens du SACLA ont utilisé des atomes de xénon pour leur expérience. De la même manière que le LCLS, le SACLA concentre une impulsion laser sur une cible dont l’épaisseur est une fraction de celle d’un cheveu humain, avec la luminosité de plusieurs milliers de Soleils.

Pour ce faire, ils ont utilisé une chambre à vide remplie avec 5000 atomes de xénon, sur lesquels ils ont dirigé une impulsion laser pendant moins de 10 femtosecondes, conduisant ceux-ci à perdre leurs électrons. Les scientifiques souhaitaient en effet savoir exactement comment les électrons d’un atome lui sont arrachés : progressivement ou de manière brutale ?

Afin de capturer le phénomène en détail, les auteurs ont utilisé un flash de lumière proche des infrarouges qui a été absorbé par les atomes de xénon. La distribution d’absorption a révélé des détails clé sur la structure de chaque atome, de ceux n’ayant perdu que quelques électrons à ceux ayant perdu presque la moitié de leur stock électronique. Environ 30’000 électrons ont été arrachés à 57% des atomes.

formation nanoplasma explosion coulombienne

La formation d’un nanoplasma passe par le phénomène d’explosion coulombienne : les atomes positifs ionisés explosent au sein d’un nuage plasmatique d’ions énergétiques. Sur cette image, les atomes sont représentés en vert, bleu et rouge, tandis que les électrons sont représentés en violet. Crédits : Yoshiaki Kumagai & al.

En répétant cette manœuvre plusieurs fois, les chercheurs ont ainsi obtenu un véritable slow-motion du processus de formation du nanoplasma. Ces détails ont permis d’identifier le mécanisme de perte des électrons, qui s’apparente plus à une explosion de Coulomb (les atomes séparés de leurs électrons deviennent positifs et explosent dans un plasma d’ions énergétiques) qu’à un effet Auger.

Ainsi, les atomes de xénon se transforment progressivement en une bulle de nanoplasma ; l’équilibre de celle-ci étant maintenu par la coexistence de zones d’énergie positive et négative.

De tels résultats sont importants car ils confirment l’efficacité des lasers à électrons libres pour imager des structures nanométriques. En outre, ils ouvrent de nouvelles pistes dans l’étude de l’agencement des nanomatériaux et pourraient conduire à d’importantes avancées en matière de nanoélectronique.

Source : Physical Review X

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