Mosarix, un spectromètre optimisé pour la détection des rayons X « tendres »

La diffusion inélastique résonante de rayons X est plus connue sous le nom de « RIXS » pour Resonant Inelastic X-ray Scattering ». Cette spectroscopie permet d'obtenir des informations détaillées sur la structure électronique via les interactions entre les électrons de chacun des atomes d’un matériau, impossibles à obtenir par d’autres techniques. D’où son utilisation pour caractériser la structure électronique et comprendre les propriétés physico-chimiques de molécules et de matériaux sous toutes leurs formes.

Au cours du processus d’interaction rayonnement matière, les rayons X absorbés éjectent des électrons de cœur des atomes, créant ainsi des « lacunes » électroniques. Différents processus vont immédiatement chercher à combler ces lacunes pour que le système retrouve son équilibre. Certains de ces processus, très sensibles à l'environnement chimique autour des atomes qui présentent ces lacunes, s’accompagnent de l’émission de photons X qui contiennent les informations sur la structure électronique des atomes qui nous intéressent.

Spectroscopie résonante signifie que l'énergie des rayons X est choisie pour coïncider (ou résonner) avec l’énergie des électrons de cœur d’un des atomes du système. L’énergie de ces électrons dépendant du numéro atomique de l’atome, on doit disposer d’une source polychromatique de rayons X, comme celle provenant d’un « Synchrotron », si l’on veut balayer toute la classification périodique.

Les centres de rayonnement synchrotron de troisième et quatrième génération, actuellement les plus performants, ont largement contribué au développement de la technique RIXS pour la caractérisation des matériaux. Elle a été principalement mise en œuvre avec des rayons X mous, de basse énergie, et durs, de très haute énergie. Mais elle restait jusqu’ici peu développée dans un domaine intermédiaire, celui des rayons X dits « tendres » (2–5 keV), en raison d’un cruel manque de détecteurs efficaces.

Dans ce contexte, des scientifiques du Laboratoire de chimie physique – matière et rayonnement (CNRS/Sorbonne Université) ont mis au point MOSARIX, spectromètre optimisé pour des expériences de RIXS dans la gamme d’énergie des X tendres. Il permet maintenant d’accéder à la structure électronique d’atomes allant du phosphore au vanadium, mais aussi du zirconium au platine. Leurs mesures, réalisées sur des échantillons gazeux, liquides et solides, montrent une résolution et efficacité exceptionnelle : ils obtiennent en effet 100 fois plus de détails sur la structure électronique de leurs systèmes que ce que peuvent offrir les spectromètres concurrents.

Des premières expériences, toujours en cours d’analyse, ont été réalisées sur des batteries Lithium-Soufre ou sur des iodures utiles en radiothérapie. L’intérêt d’un tel spectromètre n’a pas échappé à la direction de SOLEIL avec laquelle les scientifiques viennent de signer une convention pour que l’appareil soit mis à la disposition de l’ensemble de la communauté scientifique… De nombreux résultats en perspective !

Rédacteur : CCdM