Percée laser à Dalian : la Chine progresse dans le domaine des lasers à électrons libres à ultraviolet extrême

La source de lumière avancée de Dalian franchit une étape majeure dans le domaine des lasers

Dans une avancée marquante pour la science et la technologie mondiales, des chercheurs chinois ont réussi, pour la première fois, à faire fonctionner un faisceau d’électrons à une fréquence de répétition d’un mégahertz à Dalian, dans la province du Liaoning. Cette percée constitue une étape décisive pour le projet de source de lumière avancée de Dalian (DALS), une installation de nouvelle génération de laser à électrons libres (FEL) dans l’ultraviolet extrême (EUV). Cette réussite renforce la position de la Chine à l’avant-garde du développement de sources de lumière avancées et ouvre de nouvelles perspectives de recherche en physique, en chimie, en biologie et en science des matériaux.

Qu’est-ce que la source de lumière avancée de Dalian et pourquoi est-elle importante ?

La source de lumière avancée de Dalian est conçue comme une installation scientifique de pointe capable de produire des faisceaux de lumière EUV extrêmement brillants et cohérents grâce à la technologie des lasers à électrons libres. Contrairement aux lasers conventionnels, les FEL utilisent des faisceaux d’électrons à grande vitesse qui traversent des structures magnétiques (appelées onduleurs) pour produire de la lumière à des longueurs d’onde inaccessibles aux méthodes traditionnelles. Les FEL sont ainsi particulièrement adaptés à l’étude du monde microscopique à l’échelle atomique et moléculaire, avec des applications allant de la physique fondamentale à la fabrication avancée et aux sciences du vivant.

Le projet DALS est dirigé par l’académicien Yang Xueming et le chercheur Zhang Weiqing, de l’Institut de physique chimique de Dalian (DICP), qui relève de l’Académie chinoise des sciences. La récente réussite de leur équipe, qui a obtenu des faisceaux d’électrons stables à fréquence de répétition élevée, répond à l’un des défis techniques les plus redoutables de la construction des FEL. Premier FEL ouvert aux utilisateurs en Chine et seul au monde à fonctionner exclusivement dans la région EUV, DALS est appelé à devenir un pilier de la découverte scientifique et de l’innovation technologique.

Comprendre les lasers à électrons libres

Les lasers à électrons libres sont souvent qualifiés de sources de lumière avancées de « quatrième génération ». Contrairement aux lasers traditionnels, qui reposent sur des matériaux spécifiques pour produire de la lumière, les FEL utilisent des flux d’électrons accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière. Lorsque ces électrons traversent des onduleurs, ils émettent une lumière dont la longueur d’onde peut être réglée sur une vaste gamme, de l’infrarouge aux rayons X. Cette souplesse, associée à la capacité de produire des impulsions ultracourtes et une lumière extrêmement brillante, permet aux FEL de saisir des processus ultrarapides et de résoudre des structures à l’échelle atomique.

La source de lumière cohérente de Dalian (DCLS), qui a précédé DALS, a déjà démontré la puissance des FEL en produisant des faisceaux optiques dans la gamme de 50 à 150 nm, avec des impulsions d’une durée pouvant atteindre 100 femtosecondes (un billionième de seconde). Ces capacités permettent aux scientifiques d’observer en temps réel la dynamique électronique, l’évolution moléculaire et les transitions de phase des matériaux.

Comment cette percée a-t-elle été réalisée ?

Cette étape majeure franchie récemment à Dalian est le fruit de plusieurs années d’efforts conjoints et d’innovations technologiques. Depuis le lancement du projet en 2020, le DICP et l’Institut des installations de sources de lumière avancées de Shenzhen ont travaillé ensemble à la mise au point de plusieurs technologies clés indispensables au fonctionnement des FEL. Parmi celles-ci :

• Un canon à électrons à photocathode capable de produire des faisceaux d’électrons de haute qualité
• Des systèmes laser ultrarapides pour un contrôle et une synchronisation précis
• Des sources de puissance radiofréquence à semi-conducteurs pour une accélération stable
• Des modules d’accélération supraconducteurs permettant un fonctionnement en onde continue
• Des systèmes cryogéniques de réfrigération à l’hélium pour maintenir la supraconductivité

La production de faisceaux d’électrons à une fréquence de répétition d’un mégahertz (un million de cycles par seconde) est particulièrement difficile, car elle exige à la fois stabilité et qualité. Cette réussite montre que l’équipe de Dalian maîtrise les technologies essentielles au développement des FEL de nouvelle génération.

Selon l’équipe de recherche, cette réussite « pose des bases solides pour la construction future du projet » et constitue une avancée importante dans les efforts plus vastes de la Chine pour développer des installations FEL de pointe.

Retombées scientifiques et technologiques : pourquoi les FEL changent la donne

Les lasers à électrons libres comme DALS révolutionnent la recherche scientifique en offrant des outils jusqu’alors inimaginables. Leur capacité à produire une lumière cohérente, réglable et extrêmement brillante dans les régions EUV et des rayons X permet aux scientifiques de :

• Étudier la structure et la dynamique des molécules et des matériaux avec une résolution atomique
• Observer en temps réel les réactions chimiques ultrarapides et les processus biologiques
• Mettre au point des techniques avancées d’imagerie pour la médecine et la science des matériaux
• Soutenir la fabrication de semi-conducteurs de nouvelle génération grâce à la lithographie EUV

La source de lumière cohérente de Dalian a, par exemple, rendu possibles des expériences en photochimie moléculaire, en spectrométrie de masse des aérosols et en spectrométrie de masse biologique. En intégrant des faisceaux laser EUV à la spectrométrie de masse à haute résolution, les chercheurs peuvent dissocier efficacement des biomolécules complexes et obtenir des informations détaillées sur leur structure, ce qui fait progresser des domaines comme la protéomique et la découverte de médicaments.

La vision stratégique de la Chine pour la technologie FEL

La Chine a fait de la technologie FEL une priorité stratégique pour son développement scientifique et technologique. Selon les stratégies nationales de développement, le pays vise des percées dans les FEL à grandes longueurs d’onde, les FEL à rayons X et les sources de lumière EUV fondées sur les FEL d’ici à 2035. Ces efforts s’appuient sur une hausse des investissements dans la recherche fondamentale, une coopération entre plusieurs parties et une priorité accordée à l’innovation indépendante.

L’Institut de physique chimique de Dalian possède une longue tradition de recherche pionnière en catalyse, en génie chimique et en technologie laser. Son rôle moteur dans le projet DALS témoigne de la volonté de la Chine de bâtir des infrastructures scientifiques de classe mondiale et de former une nouvelle génération de scientifiques.

Comparaison de DALS avec les installations mondiales de sources de lumière

Dans le monde, plusieurs installations de sources de lumière avancées ont transformé la recherche en biologie structurale, en science des matériaux et en chimie. Parmi les exemples notables figurent la Source de lumière suisse et SwissFEL, en Suisse, qui ont permis des études à haut débit et à haute résolution de macromolécules. Le projet DALS occupe toutefois une place à part en tant qu’installation FEL EUV fonctionnant en onde continue à des fréquences de répétition élevées, avec des capacités qui complètent et élargissent celles des sources synchrotron et FEL existantes.

La plupart des installations FEL dans le monde fonctionnent dans les régions des rayons X ou des rayons X mous, tandis que DALS est conçu pour produire une lumière EUV cohérente avec une résolution temporelle et spatiale exceptionnelle. L’installation sera donc particulièrement utile pour étudier les processus impliquant des électrons de valence et pour des applications dans la fabrication avancée, comme la lithographie EUV destinée à la production de semi-conducteurs.

Des retombées plus larges pour la science, l’industrie et la société

La réussite du développement de DALS aura des retombées considérables au-delà de la recherche fondamentale. Dans les domaines de l’énergie propre et des technologies environnementales, l’Institut de physique chimique de Dalian a déjà démontré son rôle moteur grâce à des innovations en catalyse, en génie chimique et dans le stockage de l’énergie. Les capacités avancées de DALS donneront un nouvel élan à la recherche dans ces domaines, en permettant de concevoir des catalyseurs plus efficaces, d’étudier les processus de conversion de l’énergie et de mettre au point de nouveaux matériaux pour des technologies durables.

Dans l’industrie, les sources de lumière EUV fondées sur les FEL sont essentielles à la prochaine génération de semi-conducteurs. À mesure que les fabricants de puces repoussent les limites de la miniaturisation, la lithographie EUV est devenue indispensable à la production de circuits intégrés plus petits, plus rapides et plus économes en énergie. En maîtrisant les technologies clés des FEL, la Chine se positionne comme un acteur de premier plan dans la chaîne d’approvisionnement mondiale des semi-conducteurs.

Former la prochaine génération de scientifiques et d’ingénieurs

Les grandes installations scientifiques comme DALS servent aussi de terrain de formation aux jeunes scientifiques et ingénieurs. En prenant part à des recherches de pointe et au développement technologique, les étudiants et les chercheurs en début de carrière acquièrent une expérience précieuse qui les prépare à exercer des responsabilités dans le monde universitaire, l’industrie et les pouvoirs publics. Cette filière de formation des talents est essentielle pour soutenir l’innovation et garantir que la Chine reste à l’avant-garde de la découverte scientifique.

Les défis à relever et la suite

Malgré cette récente percée, des défis importants subsistent pour la construction et l’exploitation de la source de lumière avancée de Dalian. Le maintien de faisceaux d’électrons stables et de haute qualité à des fréquences de répétition de l’ordre du mégahertz exige des progrès constants en matière de technologie des accélérateurs, de cryogénie et de systèmes de contrôle. Par ailleurs, l’intégration de l’installation à la communauté scientifique au sens large et la garantie d’un accès ouvert aux chercheurs seront essentielles pour en maximiser les retombées.

La stratégie nationale de la Chine en matière de technologie FEL souligne l’importance d’investissements durables, de collaborations entre institutions et de la traduction des avancées scientifiques en applications pratiques. À mesure que DALS passera du stade de prototype à celui d’une exploitation à pleine échelle, le projet servira de modèle pour de futurs grands projets scientifiques en Chine et dans le monde.

En résumé

• Des scientifiques chinois de Dalian ont réalisé une première mondiale en faisant fonctionner de manière stable un faisceau d’électrons à une fréquence de répétition d’un mégahertz, une étape clé pour le projet de source de lumière avancée de Dalian (DALS).
• DALS est une installation de laser à électrons libres à ultraviolet extrême de nouvelle génération, conçue pour produire une lumière cohérente et extrêmement brillante au service de recherches de pointe en physique, en chimie, en biologie et en science des matériaux.
• Cette percée a été rendue possible par des avancées dans les canons à électrons à photocathode, les lasers ultrarapides, les accélérateurs supraconducteurs et les systèmes cryogéniques, mises au point grâce à la collaboration entre l’Institut de physique chimique de Dalian et des partenaires de Shenzhen.
• Les lasers à électrons libres comme DALS révolutionnent la recherche scientifique et les applications industrielles, notamment la fabrication de semi-conducteurs et les technologies d’énergie propre.
• En faisant de la technologie FEL une priorité stratégique, la Chine entend s’imposer dans le domaine des sources de lumière avancées, stimuler l’innovation et former la prochaine génération de scientifiques.