La capture d'écran montre une image du cristal PrScO3, agrandie 100 millions de fois. Il a été obtenu à l'aide de la ptychographie électronique.En
2018, des scientifiques de Cornell ont construit un appareil puissant qui, associé à une technique de numérisation appelée ptychographie, a établi un nouveau record du monde. Ils ont examiné les atomes avec une résolution plus élevée que ne le permettaient les meilleurs microscopes électroniques du monde à l'époque.
Malgré le succès des chercheurs, il y avait une faille importante dans leur approche. Leur technique ne fonctionnait qu'avec de très fines couches de matériaux (pas plus de quelques atomes d'épaisseur). Tout échantillon plus épais conduisait au fait que les électrons «se dispersaient», et il était impossible de les analyser d'une manière ou d'une autre.
Récemment, une équipe d'experts dirigée par David Muller a battu son propre record. Elle a créé un mécanisme encore plus avancé qui vous permet de regarder les atomes avec une résolution encore plus élevée. Et si haut qu'il ne reste qu'une légère brume dans l'image, causée par les "sauts de température" des atomes eux-mêmes.
Le travail des chercheurs, intitulé Electron Ptychography Achieves Atomic-Resolution Limits Set by Lattice Vibrations, a été publié dans la revue Science le 20 mai.
«Ce n'est pas seulement un nouveau record du monde», déclare Müller. - Déjà maintenant, nous pouvons examiner calmement les atomes et identifier leur emplacement. Cela ouvre de nombreuses nouvelles techniques de mesure des données. Ce que nous avons voulu réaliser au fil des ans. De plus, notre découverte résout les problèmes liés à l'étude des tissus, constitués d'un grand nombre de couches d'atomes. "
La nouvelle méthode de recherche a permis aux scientifiques d'examiner les différentes couches de matériau une par une. Pour cela, un traitement informatique d'une variété d'images obtenues par diffusion de la lumière de l'échantillon étudié est utilisé.
«Nous observons les particules en mouvement individuelles que notre appareil détecte, comme les chats regardent la lumière d'un pointeur laser», explique Mueller. «En suivant le comportement des particules en mouvement dans la zone de superposition des motifs d'interférence, nous pouvons utiliser un ordinateur et calculer à quoi ressemble l'échantillon à l'étude au niveau atomique.»
Les données résultantes sont recréées à l'aide d'algorithmes sophistiqués, ce qui vous permet finalement de créer une image avec une résolution de picomètre (un billionième de mètre).
«Avec de tels algorithmes, nous pouvons éliminer presque toutes les causes qui ont causé des images floues dans le passé. La seule chose qui brouille encore un peu l'image est la mobilité des atomes due aux changements de température, explique Mueller. "Quand nous parlons de température, nous parlons en fait de la façon dont les atomes tremblent."
Les chercheurs peuvent battre à nouveau leur propre record s'ils expérimentent avec des matériaux avec des atomes plus lourds (ils sont moins mobiles) ou refroidissent un échantillon expérimental fonctionnel. Mais même à température nulle, les atomes bougeront, donc une augmentation significative de la qualité de l'image ne fonctionnera pas.
La ptychographie électronique permettra aux scientifiques de suivre des atomes individuels en trois dimensions, plutôt que deux, comme c'était le cas dans le passé. Il sera également possible de suivre les impuretés qui ne peuvent pas être détectées à l'aide de microscopes classiques. Cela sera particulièrement utile lorsque vous travaillez avec des semi-conducteurs, des catalyseurs et des matériaux quantiques, y compris ceux utilisés pour créer des ordinateurs quantiques, ainsi que lors de l'étude des atomes aux limites de la connexion de divers matériaux. De plus, une méthode de recherche similaire peut être utilisée pour étudier les cellules, les tissus biologiques et même les synapses du cerveau.
Jusqu'à présent, utiliser les développements de Mueller et de ses collègues est coûteux. Il faut beaucoup de temps et un ordinateur très puissant pour analyser toutes les données et composer une image claire à une résolution aussi élevée. Mais les chercheurs espèrent rendre la méthode plus accessible avec des ordinateurs et des systèmes d'apprentissage automatique plus puissants.
«C'était comme si nous portions de très mauvaises lunettes tout ce temps», dit Müller. «Et maintenant, comme pour la première fois, on nous a donné une paire avec des dioptries de haute qualité.»
