Deux problèmes majeurs qui limitent la résolution et l’interprétation des images de microscopie électronique sont les aberrations des lentilles et les diffusions multiples. Le professeur David Muller de l’université Cornell et ses collègues des États-Unis, de Suisse et d’Allemagne ont résolu ces problèmes grâce à une technique d’imagerie informatique appelée ptychographie. À l’aide d’algorithmes de reconstruction 3D sophistiqués et d’un détecteur à matrice de pixels de microscope électronique (EMPAD), ils ont obtenu une résolution ultime meilleure que la vibration thermique des atomes dans un orthoscandate de praséodyme (PrScO3) et ont montré qu’il est théoriquement possible d’identifier des atomes uniques.
Cette image montre une reconstruction ptychographique électronique d’un cristal d’orthoscandate de praséodyme, agrandi 100 millions de fois. Crédit image : Chen et al., doi : 10.1126/science.abg2533.
La ptychographie fonctionne en balayant des motifs de diffusion superposés d’un échantillon de matériau et en recherchant des changements dans la région de superposition.
“Nous recherchons des motifs de chatoiement qui ressemblent beaucoup à ces motifs de pointeur laser par lesquels les chats sont également fascinés”, a déclaré le professeur Muller.
“En voyant comment le motif change, nous sommes capables de calculer la forme de l’objet qui a provoqué le motif”.
Le détecteur EMPAD est légèrement défocalisé, rendant le faisceau flou, afin de capturer la plus large gamme de données possible.
Ces données sont ensuite reconstruites par des algorithmes complexes, ce qui permet d’obtenir une image d’une précision de l’ordre du picomètre (un trillionième de mètre).
“Avec 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 finie”, a déclaré le professeur Muller.
“Lorsque nous parlons de température, ce que nous mesurons en fait, c’est la vitesse moyenne à laquelle les atomes s’agitent”.
Les physiciens pourraient éventuellement battre à nouveau leur record en utilisant un matériau composé d’atomes plus lourds, qui s’agitent moins, ou en refroidissant l’échantillon.
Mais même à température zéro, les atomes subissent encore des fluctuations quantiques, de sorte que l’amélioration ne serait pas très importante.
Cette dernière forme de ptychographie électronique permettra aux chercheurs de localiser des atomes individuels en 3D alors qu’ils pourraient être cachés par d’autres méthodes d’imagerie.
Ils seront également en mesure de trouver des atomes d’impureté dans des configurations inhabituelles et de les visualiser, ainsi que leurs vibrations, un par un.
“Nous voulons appliquer cela à tout ce que nous faisons”, a déclaré le professeur Muller.
“Jusqu’à présent, nous avons tous porté de très mauvaises lunettes. Et maintenant, nous avons en fait une très bonne paire.”
“Pourquoi ne voudriez-vous pas enlever les vieilles lunettes, mettre les nouvelles, et les utiliser tout le temps ?”.
L’article de l’équipe a été publié dans le journal… Science.
