Une microstructure créée par une imprimante 3D : la structure réfractive innovante développée par les scientifiques du PSI et qui, combinée à un élément diffractif, donne une lentille à rayons X achromatique, mesure près d’un millimètre de long (ou de haut, comme le montre la photo). Tournée sur son extrémité, elle ressemble à une fusée miniature. Elle a été créée par une imprimante 3D à l’aide d’un type spécial de polymère. Cette image de la structure a été capturée à l’aide d’un microscope électronique à balayage. Crédit : Institut Paul Scherrer/Umut Sanli
Les scientifiques de l’Institut Paul Scherrer ont mis au point une lentille achromatique révolutionnaire pour les rayons X. Cette lentille permet aux rayons X d’être dirigés vers le haut. Celle-ci permet de focaliser avec précision les faisceaux de rayons X sur un seul point, même s’ils ont des longueurs d’onde différentes. La nouvelle lentille facilitera grandement l’étude des nanostructures à l’aide des rayons X, selon un article que les chercheurs viennent de publier dans la revue scientifique Nature Communications.
Les lentilles achromatiques sont essentielles pour produire des images nettes en photographie et dans les microscopes optiques. Elles garantissent que les différentes couleurs – c’est-à-dire la lumière de différentes longueurs d’onde – ont un point focal commun. À ce jour, cependant, les lentilles achromatiques ne sont pas disponibles pour les rayons X, de sorte que la microscopie à rayons X à haute résolution n’est possible qu’avec des rayons X monochromatiques. En pratique, cela signifie que toutes les autres longueurs d’onde doivent être filtrées hors du spectre du faisceau de rayons X et que seule une petite partie de la lumière peut effectivement être utilisée, ce qui entraîne un processus de capture d’image relativement inefficace.
Une équipe de scientifiques du PSI a maintenant résolu ce problème en développant avec succès une lentille achromatique pour les rayons X. Étant donné que les rayons X peuvent révéler des structures beaucoup plus petites que la lumière visible, cette lentille innovante sera particulièrement utile aux travaux de R & D dans des secteurs tels que les micropuces, les batteries et la science des matériaux, entre autres.
Plus complexe que dans le domaine visible
Le fait qu’il ait fallu attendre jusqu’à aujourd’hui pour développer une lentille achromatique pour les rayons X peut paraître surprenant au premier abord : pour la lumière visible, les lentilles achromatiques existent depuis plus de 200 ans. Elles sont généralement composées de deux matériaux différents. La lumière pénètre dans le premier matériau et se divise en ses couleurs spectrales – un peu comme lorsqu’elle traverse un prisme en verre classique. Elle passe ensuite à travers un second matériau pour inverser cet effet. En physique, le processus de séparation des différentes longueurs d’onde est appelé “dispersion”.
“Ce principe de base appliqué dans le domaine visible ne fonctionne cependant pas dans le domaine des rayons X”, explique le physicien Christian David, responsable du groupe de recherche Optique et applications des rayons X au Laboratoire de nanoscience et technologies des rayons X du PSI. “Pour les rayons X, il n’existe aucune paire de matériaux dont les propriétés optiques diffèrent suffisamment sur une large gamme de longueurs d’onde pour qu’un matériau puisse contrebalancer l’effet de l’autre. En d’autres termes : la dispersion des matériaux dans la gamme des rayons X est trop similaire.”
Deux principes plutôt que deux matériaux
Ainsi, au lieu de chercher la réponse dans la combinaison de deux matériaux, les scientifiques ont relié deux principes optiques différents. “L’astuce a été de réaliser que nous pouvions positionner une deuxième lentille réfractive devant notre lentille diffractive”, explique Adam Kubec, auteur principal de la nouvelle étude. Jusqu’à récemment, M. Kubec était chercheur dans le groupe de Christian David. Il travaille désormais pour XRnanotech, une spin-off issue des recherches du PSI en matière d’optique à rayons X.
“Depuis de nombreuses années, le PSI est un leader mondial dans la production de lentilles à rayons X”, explique Christian David. “Nous fournissons des lentilles spécialisées, connues sous le nom de plaques de zone de Fresnel, pour la microscopie à rayons X dans les sources de lumière synchrotron du monde entier.” Le groupe de recherche de David utilise des méthodes de nanolithographie établies pour produire des lentilles diffractives. Cependant, pour le deuxième élément de la lentille achromatique – la structure réfractive -, il fallait une nouvelle méthode qui n’est devenue disponible que récemment : l’impression 3D à l’échelle du micromètre. Cela a finalement permis à Kubec de produire une forme qui ressemble vaguement à une fusée miniature.
Applications commerciales potentielles
La lentille nouvellement mise au point permet de passer de l’application de recherche à la microscopie à rayons X à usage commercial, par exemple dans l’industrie. “Les sources synchrotron génèrent des rayons X d’une intensité telle qu’il est possible de filtrer tous les rayons sauf une seule longueur d’onde tout en conservant suffisamment de lumière pour produire une image”, explique M. Kubec. Cependant, les synchrotrons sont des installations de recherche à grande échelle. À ce jour, le personnel de R & D travaillant dans l’industrie se voit attribuer un temps de faisceau fixe pour réaliser des expériences dans les synchrotrons des instituts de recherche, dont le Centre suisse de rayonnement synchrotron (CSR).Source SLS at PSI. This beam time is extremely limited, expensive, and requires long-term planning. “Industry would like to have much faster response loops in their R&D processes,” Kubec says. “Our achromatic X-ray lens will help enormously with this: It will enable compact X-ray microscopes that industrial companies can operate on their own premises.”
Together with XRnanotech, PSI plans to market the new lens. Kubec says they already have suitable contacts with companies specializing in building X-ray microscopy facilities on the lab scale.
SLS X-ray beam used for testing
To characterize their achromatic X-ray lens, scientists used an X-ray beamline at SLS. One of the methods employed there is a highly developed X-ray microscopy technique called ptychography. “This technique is normally used to examine an unknown sample,” says the study’s second author, Marie-Christine Zdora, a physicist working in Christian David’s research group and an expert in X-ray imaging. “We on the other hand used ptychography to characterize the X-ray beam and thus our achromatic lens.” This enabled the scientists to precisely detect the location of the X-ray focal point at different wavelengths.
They additionally tested the new lens using a method where the sample is moved through the focus of the X-ray beam in small raster steps. When the wavelength of the X-ray beam is changed, the images produced with a conventional X-ray lens become very blurred. This, however, does not happen when using the new achromatic lens. “When we eventually got a sharp image of the test sample over a broad range of wavelengths, we knew our lens was working,” says a delighted Zdora.
David adds: “The fact that we were able to develop this achromatic X-ray lens at PSI and will soon be bringing it to market with XRnanotech shows that the type of research we do here can lead to practical applications in a very short period of time.”
Reference: “An achromatic X-ray lens” by A. Kubec, M.-C. Zdora, U. T. Sanli, A. Diaz, J. Vila-Comamala, C. David, 14 March 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28902-8
