ELYSE est un centre de cinétique rapide né de la volonté de physico-chimistes, de biophysiciens et de physiciens du CNRS et de l'Université Paris 11 de mettre en commun compétences, ressources humaines et équipements scientifiques pour l'étude des réactions chimiques et biochimiques élémentaires. Il doit être inauguré le 6 juin prochain par le Président de l'Université Paris 11, en présence de la Directrice générale du CNRS et des Présidents du Conseil régional et du Conseil général de l'Essonne.

L'étude des actes chimiques et biochimiques élémentaires par des techniques aux temps "ultracourts" constitue un pan de la science en plein essor : quel chimiste n'a pas souhaité voir (ou "filmer") le détail des mouvements des atomes et des molécules au moment où s'opère la transformation de la matière ? Ce rêve devient aujourd'hui réalité¹.

Deux techniques permettent actuellement de réaliser ces expériences : celle qui utilise deux impulsions de photons issues de la même source laser ; et la technique dite de "pompe-sonde" qui consiste en deux impulsions parfaitement synchronisées. Dans cette deuxième technique, une première (impulsion "pompe") initie la réaction que l'on cherche à étudier, et définit le "temps zéro" de la réaction. La seconde (impulsion "sonde") qui suit la première, interagit avec le système excité. Le signal qui en résulte, mesuré en fonction du décalage temporel entre les deux impulsions, donne des informations sur le chemin de réaction suivi par le système dans l'intervalle. En multipliant ces mesures, on visualise le film de la réaction.

Vue d'ensemble de l'accélérateur ELYSE © Photo : H. Monard

La grande originalité d'ELYSE provient du fait que les expériences " pompe-sonde" sont réalisées avec une source d'électrons synchronisée avec la source de photons. Le laser est la source des impulsions optiques ultracourtes qui arrachent les électrons de la photocathode de l'accélérateur. Des impulsions d'électrons sont ainsi engendrées avec une résolution temporelle de l'ordre de la picoseconde² et un gain en résolution de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux montages de radiolyse pulsée les plus performants. Avec l'accélérateur pulsé, construit par le laboratoire de l'accélérateur linéaire d'Orsay (voir encadré), il forme un instrument unique en Europe³.

L'accélérateur et le montage de radiolyse pulsée picoseconde

La machine choisie pour équiper ce centre est un accélérateur d'électrons d'énergie de 3 à 9 MeV dont le faisceau est fourni par un canon HF (hyper fréquence), photo-déclenché par un laser. Cette machine fournit aux utilisateurs une impulsion de faisceau très rapide (quelques picosecondes) avec une fréquence de répétition inférieure ou égale à 50 Hz. Le faisceau d'électrons est photodéclenché par un faisceau laser, dont la largeur à mi-hauteur des impulsions devra être supérieure à 2 picosecondes avec une énergie supérieure à 70 microjoules à 266 nanomètres. Par ailleurs, le courant d'obscurité devra être très faible, soit un millième du courant crête pendant toute la durée de la macroimpulsion. L'objectif visé étant d'atteindre une charge de 10 nanocoulombs par impulsion, il faut utiliser des cathodes en tellure de césium (Cs2Te), ce qui a nécessité la réalisation d'une chambre de préparation des photocathodes. La construction de cet accélérateur a été réalisée par les spécialistes du service des accélérateurs du Laboratoire de l'accélérateur linéaire d'Orsay.

Ainsi, ELYSE se caractérise par la possibilité d'initier les réactions par des impulsions ultracourtes d'électrons (radiolyse) ou de photons (photolyse). Ces deux types d'expériences sont complémentaires car l'énergie n'est pas déposée de la même façon dans la matière, et les espèces réactives produites sont souvent différentes.

De nombreux champs de la recherche vont pouvoir être explorés par l'une ou l'autre de ces techniques ou par l'association des deux :

Dans le domaine de la biophysique et des sciences du vivant, un dispositif de spectroscopie de fluorescence à très hautes statistiques et résolution temporelle, combiné avec les expériences menées en radiolyse pulsée et en photolyse à différentes échelles de temps, constituera un arsenal particulièrement complet pour l'étude dynamique de la réactivité en phase condensée et en milieu biologique.

Toujours dans ce domaine, une infrastructure spécifique de biologie va être installée très prochainement à proximité immédiate d'ELYSE, ce qui y facilitera le développement d'expériences de photobiologie.

Outil de recherche fondamentale, le centre ELYSE permettra sans aucun doute de développer de nombreuses applications. Ainsi, on peut déjà mentionner les recherches menées très récemment à Orsay par radiolyse pulsée sur la formation de l'image latente photographique5. On peut également citer la mise en évidence récente des propriétés de limitation optique par des suspensions d'agrégats métalliques synthétisés par la voie de la radiolyse, un système susceptible d'être utilisé pour la protection oculaire et des systèmes optroniques face à des impulsions laser intenses. Une autre application potentielle concerne la radiolyse des protéines à l'état solide, d'un grand intérêt pour l'optimisation de techniques de stérilisation par irradiation, dans le domaine de l'agroalimentaire ou de la pharmacologie.

Par la diversité de ses projets scientifiques, qui vont de la physique moléculaire à la biophysique, ELYSE a, dès son démarrage, vocation à fédérer de nombreuses équipes tant françaises qu'internationales.

La chaÎne laser femtoseconde

Le laser femtoseconde remplit plusieurs fonctions : il forme les électrons pour l'accélé-rateur pulsé d'ELYSE par excitation de la photocathode située avant la section accélératrice ; il sert de source de photons impulsionnelle femtoseconde pour les expériences de photophysique, de photochimie et de photobiologie ; enfin, il sert de sonde pour les expériences en absorption optique transitoire, tant en radiolyse qu'en photolyse, puisque, par sa conception, l'ensemble laser-accélérateur est synchronisé. La chaîne laser comprend un laser continu Millenia, une cavité de résonance Tsunami et une chaîne d'amplification de cadence 1 kHz. Cette chaîne laser permet de produire deux impulsions indépendantes de fréquence 950 Hz et 50 Hz ou toute autre combinaison, de sorte que la fréquence totale reste de 1 kHz.

Le budget du projet ELYSE était de 41 MF HT : 24 MF d'équipements scientifiques 17 MF d'infrastructure. Ce budget se décompose en différentes subventions : Conseil Régional d'Île de France (14,5 MF) ; Conseil Général de l'Essonne (14,5 MF) ; CNRS (département des Sciences chimiques) (5 MF) ; Ministère de la Recherche (5 MF) ; Université Paris 11 (2 MF).

¹ On parle aujourd'huide "femtochimie" : ce terme signifie que l'on peut, dans certains cas, observer l'évolution d'un chemin de réaction chimique avec une résolution temporelle de l'ordre de quelques femtosecondes (une femtoseconde = 10^-15 s).

² 1 picoseconde = 10^-12 s.

³ Seuls deux autres équipements de ce type existent depuis peu dans le monde, à Brookhaven (états-Unis) et à Tokaï-Mura (Japon).

⁴ En collaboration entre plusieurs équipes d'Orsay et l'école normale supérieure de Cachan.

⁵ Voir : J. Belloni, M. Tréguer, H. Remita and R. de Keyzer. Enhanced yield of photo-induced electrons in doped silver halide crystals. Nature, 402 (1999) pp. 865-867, et brevets.