Lorsqu’une équipe de physiciens a concentré toute l’intensité de l’instrument d’imagerie cohérente à rayons X du Linac Coherent Light Source (LCLS) de SLAC – le laser à rayons X le plus puissant du monde avec une intensité de 100 quadrillions de kilowatts par centimètre carré – sur une petite molécule, ils ont eu une surprise : une courte impulsion laser a arraché tous les électrons, sauf quelques uns, du plus gros atome de la molécule, de l’intérieur vers l’extérieur, laissant un vide qui a commencé à attirer les électrons du reste de la molécule, comme une version moléculaire d’un trou noir. Cette recherche a été publiée cette semaine dans le journal Nature.
Les chercheurs ont tiré sur de l’iodométhane (CH3I) et l’iodobenzène (C6H5I) à l’aide d’un puissant faisceau de rayons X.
En se basant sur des études antérieures avec des rayons X moins énergétiques, ils ont pensé que des cascades d’électrons provenant des parties extérieures de l’atome d’iode tomberaient pour remplir les espaces vacants, avant d’être eux-mêmes expulsés par des rayons X ultérieurs. Il ne resterait alors que quelques électrons parmi les plus étroitement liés. Et, en fait, c’est ce qui s’est passé dans les atomes d’iode.
Mais dans les molécules, le processus ne s’est pas arrêté là. L’atome d’iode, qui avait une forte charge positive après avoir perdu la plupart de ses électrons, a continué à aspirer les électrons des atomes de carbone et d’hydrogène voisins, et ces électrons ont également été éjectés, un par un.
Au lieu de perdre 47 électrons, comme ce serait le cas pour un atome d’iode isolé, l’iode de la plus petite molécule – l’iodométhane – a perdu 54 électrons, y compris ceux qu’il a pris à ses voisins.
“Lorsque cette puissante lumière X frappe une molécule, l’atome le plus lourd, l’iode, absorbe quelques centaines de fois plus de rayons X que tous les autres atomes”, a expliqué le coauteur principal, le Dr Artem Rudenko, de l’Université d’État du Kansas.
“Ensuite, la plupart de ses électrons sont arrachés, ce qui crée une grande charge positive sur l’iode”.
“La charge positive créée attire régulièrement les électrons des autres atomes de la molécule, ce qui remplit les espaces vacants créés comme un trou noir de courte durée”, a-t-il ajouté.
Contrairement au véritable trou noir, la version moléculaire laisse à nouveau sortir les électrons.
Ils sont éliminés en quelques femtosecondes (une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde).
“Le cycle se répète jusqu’à ce que la molécule explose”, a déclaré le co-auteur Daniel Rolles, également de l’Université d’État du Kansas.
“Au total, 54 des 62 électrons de l’iodométhane ont été éjectés dans cette expérience, bien plus que ce que nous avions prévu sur la base d’études antérieures utilisant des rayons X moins intenses.”
“En outre, la plus grande molécule, l’iodobenzène, perd encore plus d’électrons.”
“Pour autant que nous le sachions, il s’agit du plus haut niveau d’ionisation jamais atteint à l’aide de la lumière”, a déclaré le coauteur, Robin Santra, du Centre pour la science des lasers à électrons libres au Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) à Hambourg, en Allemagne.
La compréhension du processus dynamique ultrarapide est importante pour de nombreuses applications des lasers à rayons X intenses, notamment l’imagerie par rayons X des biomolécules.
“Les rayons X ultra-intense nous donnent un nouvel outil efficace pour imager les particules biologiques, telles que les protéines et les virus, avec une haute résolution”, a déclaré le Dr Rolles.
“Mais ils endommagent également et finissent par détruire l’objet que nous essayons d’étudier. Si nous pouvons comprendre les mécanismes qui causent les dommages, les théoriciens peuvent modéliser la façon dont la structure change pendant le processus de prise de vue, ce qui permet aux chercheurs d’éviter les dommages ou de tenir compte de leur influence.”