Une équipe japonaise réalise un microscope hyperspectral à rayons X mous femtosecondes, obtenant simultanément des informations spatiales et énergétiques avec une impulsion unique

L'Agence japonaise des sciences et technologies (JST), l'Institut RIKEN et l'Université de Tokyo ont annoncé le 21 août que l'équipe de recherche composée de la professeure assistante Yoko Takeo et du professeur associé Takashi Kimura de l'Institut de physique du solide de l'Université de Tokyo, du professeur assistant Satoru Egawa du Centre de recherche en sciences et technologies avancées de l'Université de Tokyo, ainsi que de la chef de groupe de recherche Makina Yabashi du centre SPring-8 du RIKEN, a réussi à développer et à réaliser un microscope hyperspectral à rayons X mous femtosecondes. Les résultats ont été publiés le 20 août dans la revue scientifique américaine *Optica*.

Cette technologie utilise une impulsion unique de rayons X mous provenant d'un laser à électrons libres à rayons X (XFEL) pour collecter simultanément les spectres de rayons X mous transmis à différentes positions de l'échantillon, permettant d'obtenir en une seule prise de vue des informations spatiales et énergétiques synchronisées. L'équipe de recherche indique que cette méthode surmonte la difficulté traditionnelle de concilier résolution spatiale et résolution énergétique, offrant un nouveau moyen d'observation pour l'analyse d'échantillons à évolution rapide et non uniforme.

Sur le plan de la conception du système, l'équipe de recherche a combiné un microscope à miroir de Wolter achromatique avec un réseau de diffraction à ouvertures multiples nouvellement fabriqué. Le miroir de Wolter permet d'agrandir les images de rayons X mous sur une large gamme d'énergies, tandis que le réseau de diffraction à ouvertures multiples intègre 417 micro-éléments spectraux capables de diviser l'image bidimensionnelle agrandie en plusieurs canaux spatiaux et d'enregistrer simultanément les informations spectrales de chaque canal sur un détecteur bidimensionnel. Grâce à cette structure, les chercheurs peuvent superposer les « informations d'absorption à différentes positions et différentes énergies » sur l'image microscopique, permettant d'analyser les différences spatiales de composition interne et d'état chimique de l'échantillon.

Pour valider cette technologie, l'équipe de recherche a mené des expériences sur la ligne de lumière de rayons X mous BL1 du laser à électrons libres à rayons X SACLA, situé dans le parc scientifique de Harima, dans la préfecture de Hyogo. Les résultats montrent que ce système peut visualiser les fluctuations spectrales et l'hétérogénéité spatiale du faisceau XFEL entre différentes impulsions. Les chercheurs ont également utilisé un film mince de nitrure de silicium comme échantillon, avec des impulsions uniques d'une durée inférieure à 100 femtosecondes, et ont capturé les variations du spectre de transmission induites par la présence ou l'absence de l'échantillon au voisinage du seuil d'absorption du silicium.

L'équipe de recherche estime que ces résultats constituent une technologie de base pour l'imagerie spectroscopique à rayons X mous à haute vitesse sans balayage, et qu'à l'avenir, elle pourrait être appliquée à l'analyse locale de matériaux et de dispositifs, à l'étude des réactions catalytiques et des processus de dégradation, à l'imagerie de l'état chimique d'échantillons biologiques, ainsi qu'au diagnostic de faisceau dans les expériences XFEL. Les recherches ultérieures se concentreront sur l'amélioration de la largeur de bande de la source lumineuse, des performances des détecteurs et des éléments spectraux, afin de développer davantage les capacités d'imagerie spatio-temporelle à l'échelle femtoseconde.