100 ATTOSECONDES, 10 TÉRAWATTS

Une attoseconde, c’est un milliardième de milliardième de seconde. Des impulsions de lumière aussi brèves donnent un accès direct au mouvement des électrons dans les atomes, les molécules et les solides, à leur échelle de temps naturelle — un domaine récompensé par le prix Nobel de physique 2023. Des sources de laboratoire produisent des impulsions attosecondes, mais avec une énergie limitée, surtout aux courtes longueurs d’onde. Impossible alors de mener des expériences où la lumière excite fortement les électrons.

Les lasers à électrons libres lèvent cette limite. Dans ces machines, un faisceau d’électrons lancés presque à la vitesse de la lumière traverse une longue rangée d’aimants alternés, un onduleur. De minuscules fluctuations de densité du faisceau s’amplifient d’elles-mêmes jusqu’à ce que les électrons émettent un éclair de rayons X intense. Plusieurs installations produisent déjà en routine des impulsions X attosecondes, jusqu’à des centaines de microjoules.

Plus le paquet est court, plus l’éclair est bref

Pour obtenir un éclair attoseconde, le paquet d’électrons qui émet doit lui-même être extrêmement court. Evgeny Schneidmiller et 37 collègues du DESY, du European XFEL, de l’Université technique de Dortmund et des universités de Hambourg et de Kassel sont allés à l’extrême au European XFEL, le laser à rayons X supraconducteur de Schenefeld, en Allemagne.

Plan du European XFEL : les cinq étages de compression utilisés sont entourés en vert. — Figure 1, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.

Cinq compressions au lieu de trois

En fonctionnement normal, les paquets traversent trois « chicanes » magnétiques qui les raccourcissent, et la dernière ne comprime volontairement qu’en partie. L’équipe a tout changé :

• La troisième chicane comprime désormais complètement un paquet assez lourd de 350 picocoulombs.
• Une section de collimation, normalement neutre, devient un quatrième étage : en faisant tourner le faisceau à 14,3 GeV, 300 MeV au-dessus de son énergie nominale, on active un effet du second ordre qui le comprime encore.
• Le virage entre deux lignes d’onduleurs devient un cinquième étage, en déréglant une paire d’aimants de focalisation. Le paquet a acquis le bon étalement d’énergie en traversant un onduleur de 200 mètres en amont.

Les simulations montrent un paquet comprimé sous le micromètre, avec un courant crête de 150 000 ampères — exceptionnel pour un laser à rayons X, mais pas mesurable directement sur cette ligne. La haute énergie des électrons est la clé : aux 3-4 GeV utilisés ailleurs pour les rayons X mous, l’étalement d’énergie d’un tel paquet empêcherait le laser de fonctionner, notent les auteurs.

Des millijoules en une attoseconde

Trois campagnes, en 2025 et 2026, ont produit des éclairs X à 1 000 électronvolts (une longueur d’onde d’environ 1,2 nanomètre). Selon la campagne, 20 à 39 % des impulsions montraient un seul pic net dans leur spectre, avec des énergies moyennes de 1,2 à 2,0 millijoules. Certaines impulsions atteignaient 3 millijoules, pour des largeurs spectrales de 10 à 30 eV.

La durée se déduit du spectre : une impulsion large de 18 eV correspond au mieux à environ 100 attosecondes. En traçant la largeur en fonction de l’énergie, 57 % des événements à pic unique dépassent la ligne correspondant à 10 térawatts de puissance crête dans l’hypothèse idéale, et 6 % même dans une hypothèse pessimiste.

Chaque point est une impulsion X à pic unique. Les points au-dessus des courbes pointillées correspondent à plus de 10 térawatts de puissance crête. — Figure 4, Schneidmiller et al. (2026), arXiv:2609.31534.

Triées une à une

La durée n’est pas mesurée directement dans le temps : un spectre ne donne pas accès à la phase de la lumière, et l’estimation repose sur un modèle standard et sur des mesures récentes montrant que ces impulsions sont proches de leur durée minimale possible. Les tirs fluctuent aussi fortement de l’un à l’autre. Mais le European XFEL délivre jusqu’à des dizaines de milliers d’impulsions par seconde, et l’énergie et le spectre de chacune s’enregistrent sans la détruire. Les utilisateurs pourront ne garder que les éclairs les plus courts et les plus intenses — un nouveau régime, écrivent les auteurs, pour observer des électrons poussés à leurs limites.