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Proche des limites physiques absolues : des scientifiques obtiennent des images d’atomes avec une résolution sans précédent

24 Mai 2021 | 2 commentaires

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Des physiciens de l’université Cornell (États-Unis) ont repoussé les limites de l’imagerie atomique en multipliant par deux la résolution d’un microscope électronique. Bien que de nombreux smartphones modernes soient dotés d’appareils photo haute résolution qui permettent de faire de gros zooms, ils ne font pas le poids face à cette installation qui peut reconstruire des images ultra-précises avec une précision d’un trillionième de mètre. On peut ainsi voir les atomes individuels et les liaisons chimiques dans les molécules.

Image d’entête : reconstruction par ptychographie électronique d’un cristal d’orthoscandate de praséodyme (PrScO3), agrandi 100 millions de fois. (Université Cornell)

Les chercheurs, dirigés par le professeur David Muller, ont conçu un détecteur à matrice de pixels de microscope électronique et des algorithmes de reconstruction 3D de pointe pour prendre des images d’atomes très précises au laser. La résolution est si élevée que le seul élément flou est l’agitation thermique des atomes eux-mêmes.

Selon Muller :

Il ne s’agit pas seulement d’un nouveau record. Nous avons atteint un niveau qui sera effectivement la limite ultime de la résolution. En fait, nous pouvons maintenant déterminer très facilement où se trouvent les atomes. Cela ouvre un grand nombre de nouvelles possibilités de mesure pour des choses que nous voulions faire depuis très longtemps.

La percée repose sur une technique pilotée par un algorithme informatique, la ptychographie, qui consiste à balayer des motifs de diffusion superposés d’un échantillon, puis à rechercher des changements dans la région superposée.

Toujours selon Muller :

Nous recherchons des motifs de scintillement qui ressemblent beaucoup à ces motifs de pointeur laser par lesquels les chats sont tout aussi fascinés. En observant comment le motif change, nous sommes en mesure de calculer la forme de l’objet qui a provoqué le motif.

Le détecteur utilisé par le microscope électronique est volontairement très légèrement défocalisé. De cette façon, le faisceau défocalisé/ flou peut capturer la plus large gamme de données possible. Ces données sont ensuite utilisées pour reconstruire une image nette de l’échantillon grâce à des algorithmes complexes.

Grâce à ces nouveaux algorithmes, nous sommes maintenant en mesure de corriger tout le flou de notre microscope, au point que le plus grand facteur de flou qui nous reste est le fait que les atomes eux-mêmes vacillent, car c’est ce qui arrive aux atomes à température déterminée. Lorsque nous parlons de température, ce que nous mesurons en fait, c’est la vitesse moyenne à laquelle les atomes s’agitent.

En raison de l’agitation des atomes, les chercheurs affirment que leur réalisation se situe presque à la limite inférieure physique de l’imagerie atomique. En théorie, ils pourraient battre leur propre record et atteindre une résolution encore plus élevée en congelant l’échantillon à une température proche du zéro absolu. Cependant, même à une température proche de zéro, il y a toujours des fluctuations quantiques et les améliorations ne seraient de toute façon que marginales, au mieux.

La ptychographie électronique permettra aux scientifiques d’identifier des atomes individuels dans un espace tridimensionnel qui pourrait être obscurci par d’autres méthodes d’imagerie. Les applications immédiates comprennent la détection des impuretés dans les échantillons, ainsi que l’imagerie de ces derniers et de leurs vibrations. Pour l’industrie, ce procédé est particulièrement utile pour évaluer la qualité des semi-conducteurs, des catalyseurs et des matériaux quantiques sensibles destinés aux ordinateurs quantiques.

L’étude publiée dans Science : Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations et présentée sur le site de l’Université Cornell : Cornell researchers see atoms at record resolution.

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