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Physique: les scientifiques prennent des images d’atomes à la plus haute résolution jamais vue

Les chercheurs ont battu le record de l’image de résolution la plus élevée jamais prise pour des atomes individuels, créant un instantané qui est «agrandi» environ 100 millions de fois.

Ces images sont affinées, en fait, que le bruit résiduel dans la prise de vue n’est qu’un produit de la vibration thermique des atomes eux-mêmes.

La percée de l’équipe de l’Université Cornell s’appuie sur leur précédent record, enregistré en 2018, qui utilisait un nouveau détecteur pour tripler la résolution d’un microscope électronique.

Cependant, cette configuration précédente était limitée car elle ne pouvait photographier que des échantillons très minces – des échantillons minces uniquement.

Cependant, l’introduction d’un nouveau détecteur de matrice de pixels – qui comprend des algorithmes de reconstruction 3D plus avancés – a permis un facteur d’amélioration.

L’équipe explique qu’il en résulte une image qui a une résolution au niveau d’un micromètre, soit un billionième de mètre.

Les chercheurs ont battu le record de l’image de résolution la plus élevée jamais prise pour des atomes individuels, créant un instantané qui est «agrandi» environ 100 millions de fois, comme le montre l’image.

Utilisation de ces images

Selon l’équipe, la nouvelle technologie «d’impression électronique» pourrait trouver différentes applications.

Par exemple, cela pourrait permettre aux chercheurs d’identifier ces atomes dans des matériaux obscurcis par d’autres méthodes d’imagerie en trois dimensions – ou d’identifier les impuretés atomiques pour une analyse plus approfondie.

Cette dernière application pourrait être particulièrement intéressante pour l’imagerie de semi-conducteurs, de catalyseurs et de matériaux quantiques.

De plus, la technologie peut également être utilisée pour imager des cellules ou des tissus biologiques plus épais – et même pour scanner les connexions synaptiques dans le cerveau, ajoutent les chercheurs.

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«Il ne s’agit pas seulement d’établir un nouveau record», a déclaré l’auteur et ingénieur David Mueller de l’Université Cornell à New York.

Il est arrivé à un système qui serait en fait la fin de la solution. Fondamentalement, nous pouvons maintenant déterminer où se trouvent les atomes d’une manière très simple.

Cela ouvre de nombreuses nouvelles possibilités d’évolutivité pour les choses que nous voulions faire depuis très longtemps.

« Cela résout également un problème de longue date – l’annulation de la dispersion multiple du faisceau dans l’échantillon – qui nous a empêchés de le faire dans le passé. »

La méthode d’imagerie utilisée par l’équipe comprend une technique appelée ptychographie, dans laquelle un faisceau – constitué, dans ce cas, d’électrons – est tiré à plusieurs reprises à travers un objet intéressant, bien qu’à partir d’un emplacement légèrement différent à chaque fois.

En comparant les différents motifs de chevauchement formés par le faisceau diffusé, l’algorithme peut reconstruire l’objet cible avec une grande précision.

«  Nous recherchons des motifs de points qui sont très similaires aux motifs de pointeur laser qui fascinent également les chats  », a expliqué le professeur Muller.

En voyant comment le motif a changé, nous pouvons calculer la forme de l’objet qui a causé le motif.

Avec ces nouveaux algorithmes, nous sommes maintenant en mesure de corriger tout le flou de notre microscope au point que notre plus grand facteur de camouflage est le fait que les atomes eux-mêmes oscillent.

Il a expliqué que ce mouvement est « ce qui arrive aux atomes à une température finie ».

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Lorsque nous parlons de température, ce que nous mesurons en fait, c’est la vitesse moyenne de la vibration des atomes.

La méthode d'imagerie utilisée par l'équipe comprend une technique appelée ptychographie, dans laquelle un faisceau - constitué, dans ce cas, d'électrons - est tiré à plusieurs reprises à travers un objet intéressant, bien qu'à partir d'un emplacement légèrement différent à chaque fois.  En comparant les différents motifs qui se chevauchent qui composent le faisceau diffusé, l'algorithme peut alors reconstruire l'objet cible avec une grande précision.

La méthode d’imagerie utilisée par l’équipe comprend une technique appelée ptychographie, dans laquelle un faisceau – constitué, dans ce cas, d’électrons – est tiré à plusieurs reprises à travers un objet intéressant, bien qu’à partir d’un emplacement légèrement différent à chaque fois. En comparant les différents motifs qui se chevauchent qui composent le faisceau diffusé, l’algorithme peut alors reconstruire l’objet cible avec une grande précision.

Le professeur Mueller a ajouté: « Nous voulons appliquer cela à tout ce que nous faisons. »

Jusqu’à présent, nous avons tous porté de très mauvaises lunettes. Et maintenant, nous avons en fait une très bonne paire.

« Pourquoi ne veux-tu pas enlever tes vieilles lunettes, en porter de nouvelles et les utiliser tout le temps? »

Pour l’instant, l’équipe a reconnu que la méthode d’imagerie est longue et exigeante en termes de calcul – mais les progrès des ordinateurs et du détecteur à l’avenir ont le potentiel d’accélérer le processus.

Les résultats complets de l’étude ont été publiés dans la revue La science.

Poussez le record encore plus loin

Sur la photo: une image schématique électronique des atomes prise par les chercheurs

Sur la photo: une image schématique électronique des atomes prise par les chercheurs

Selon les chercheurs, il leur sera peut-être possible de surpasser à nouveau leur record dans un proche avenir.

Cela pourrait impliquer l’utilisation d’un matériau cible composé d’atomes plus lourds, qui vibreraient moins, permettant des images moins floues.

Alternativement, le même résultat peut également être obtenu en refroidissant l’échantillon actuel, réduisant son mouvement atomique.

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Cependant, ils ont indiqué que de telles améliorations ne seraient pas significatives.

Même à température nulle, les atomes présentent toujours des fluctuations quantiques, ce qui signifie qu’il existe une limite inhérente à la qualité des images qui peuvent être créées.