Une équipe allemande réalise une mise en forme ultrarapide d'impulsions XUV à l'aide d'hélium gazeux à haute densité

Le 20 août 2026, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Institut Max-Planck de physique nucléaire (MPIK) de Heidelberg a annoncé avoir utilisé un gaz atomique comme lentille variable dans le temps, rapidement commutable, pour contrôler la forme du faisceau et le spectre d'impulsions laser intenses à haute fréquence. Cette avancée pourrait ouvrir de nouvelles voies pour le contrôle fin des impulsions XUV et des rayons X, et servir les axes de recherche tels que l'amélioration des méthodes spectroscopiques, le contrôle des réactions chimiques et le calcul quantique.

La lumière XUV constitue un outil important pour l'étude des processus à l'échelle atomique. Avec le développement des lasers à électrons libres, les chercheurs ont pu produire des impulsions XUV ultracourtes et de haute intensité, mais leur focalisation, leur déviation ou leur mise en forme spectrale comme on le fait avec la lumière visible reste un défi. Les lentilles en verre traditionnelles, les miroirs ou les prismes présentent souvent une forte absorption des photons XUV de haute énergie, ce qui les rend difficiles à utiliser comme composants optiques stables et efficaces.

L'équipe de recherche a cette fois utilisé un gaz d'atomes d'hélium à haute densité comme milieu de contrôle. Lorsqu'une impulsion laser XUV intense traverse ce milieu optiquement dense, elle excite et désexcite rapidement les niveaux d'énergie atomiques, générant un processus de dynamique quantique connu sous le nom d'oscillations de Rabi. En raison de la différence d'intensité entre le centre et les bords du faisceau laser, l'indice de réfraction du milieu gazeux varie également en fonction de la position spatiale, de manière particulièrement marquée au voisinage de la fréquence de résonance atomique. Les chercheurs estiment que cette interaction lumière-matière dépendante de l'intensité permet au gaz atomique de présenter une fonction de réfraction analogue à celle d'une lentille ou d'un prisme.

L'expérience a été réalisée sur le laser à électrons libres FLASH à DESY à Hambourg. Les chercheurs ont focalisé des impulsions laser XUV intenses dans une cellule gazeuse contenant des atomes d'hélium, l'énergie photonique au centre de l'impulsion étant de 21,2 eV, correspondant à la transition électronique 1s-2p de l'atome d'hélium. Les expériences montrent qu'à faible intensité laser, la lumière est absorbée par la cellule gazeuse dans la région de résonance atomique, mais que sa forme spatiale reste essentiellement inchangée ; à intensité laser plus élevée et pression de gaz plus forte, le faisceau dévie de sa direction de propagation d'origine et ce phénomène est particulièrement marqué à deux fréquences, légèrement inférieure et légèrement supérieure à l'énergie de résonance atomique, formant une structure spectrale à double pic caractéristique.

Les chercheurs indiquent que cette méthode équivaut à construire une lentille variable dans le temps capable de fonctionner sur des échelles de temps extrêmement courtes, permettant une mise en forme directionnelle du faisceau et de ses composantes spectrales. Cela contribue non seulement au développement de nouveaux composants optiques adaptés à la lumière à haute fréquence, mais aussi à une meilleure compréhension de l'interaction entre un rayonnement intense et un milieu résonant, ainsi que de ses processus de propagation. À l'avenir, cette technique pourrait être utilisée pour le contrôle spatial et spectral d'impulsions XUV et de rayons X cohérents.