Des chercheurs développent le microscope le plus rapide au monde, capable de voir les électrons en mouvement

Imaginez posséder un appareil photo si puissant qu’il puisse prendre des photos figées d’un électron en mouvement, un objet qui se déplace si vite qu’il pourrait faire plusieurs fois le tour de la Terre en une seconde. Des chercheurs de l’Université d’Arizona ont mis au point le microscope électronique le plus rapide au monde, capable de faire exactement cela.

Ils croient que leur travail conduira à des avancées révolutionnaires en physique, en chimie, en bio-ingénierie, en sciences des matériaux et bien plus encore.

« Lorsque vous obtenez la dernière version d’un smartphone, il est équipé d’un meilleur appareil photo », a déclaré Mohammed Hassan, professeur associé de physique et de sciences optiques.

« Ce microscope électronique à transmission est comme un appareil photo très puissant qui équipe les smartphones les plus récents. Il nous permet de prendre des photos de choses que nous ne pouvions pas voir auparavant, comme les électrons. Avec ce microscope, nous espérons que la communauté scientifique pourra comprendre la physique quantique qui sous-tend le comportement et les mouvements d’un électron. »

Hassan a dirigé une équipe de chercheurs des départements de physique et de sciences optiques qui ont publié l’article de recherche « Attosecond electron microscopy and diffraction » dans le Progrès scientifiques journal.

Hassan a travaillé aux côtés de Nikolay Golubev, professeur adjoint de physique; Dandan Hui, co-auteur principal et ancien chercheur associé en optique et physique qui travaille maintenant à l’Institut d’optique et de mécanique de précision de Xi’an, Académie chinoise des sciences; Husain Alqattan, co-auteur principal, ancien élève de l’Université de l’Alberta et professeur adjoint de physique à l’Université du Koweït; et Mohamed Sennary, un étudiant diplômé en optique et physique.

Un microscope électronique à transmission est un outil utilisé par les scientifiques et les chercheurs pour agrandir des objets jusqu’à des millions de fois leur taille réelle afin de voir des détails trop petits pour être détectés par un microscope optique traditionnel.

Au lieu d’utiliser la lumière visible, un microscope électronique à transmission dirige des faisceaux d’électrons à travers l’échantillon étudié. L’interaction entre les électrons et l’échantillon est capturée par des lentilles et détectée par un capteur de caméra afin de générer des images détaillées de l’échantillon.

Les microscopes électroniques ultrarapides utilisant ces principes ont été développés pour la première fois dans les années 2000 et utilisent un laser pour générer des faisceaux d’électrons pulsés. Cette technique augmente considérablement la résolution temporelle d’un microscope, c’est-à-dire sa capacité à mesurer et à observer les changements d’un échantillon au fil du temps.

Dans ces microscopes ultrarapides, au lieu de s’appuyer sur la vitesse de l’obturateur d’un appareil photo pour déterminer la qualité de l’image, la résolution d’un microscope électronique à transmission est déterminée par la durée des impulsions électroniques.

Plus le pouls est rapide, meilleure est l’image.

Les microscopes électroniques ultrarapides fonctionnaient auparavant en émettant une série d’impulsions électroniques à une vitesse de quelques attosecondes. Une attoseconde correspond à un quintillionième de seconde. Les impulsions à ces vitesses créent une série d’images, comme les images d’un film. Mais les scientifiques ne parvenaient toujours pas à identifier les réactions et les changements qui se produisent dans un électron entre ces images alors qu’il évolue en temps réel.

Afin de voir un électron figé sur place, les chercheurs de l’Université de l’Alberta ont, pour la première fois, généré une seule impulsion électronique d’une attoseconde, qui est aussi rapide que le déplacement des électrons, améliorant ainsi la résolution temporelle du microscope, comme une caméra à grande vitesse capturant des mouvements qui seraient autrement invisibles.

Hassan et ses collègues ont basé leurs travaux sur les réalisations récompensées par le prix Nobel de Pierre Agostini, Ferenc Krausz et Anne L’Huilliere, qui ont remporté le prix Nobel de physique en 2023 après avoir généré la première impulsion de rayonnement ultraviolet extrême si courte qu’elle pouvait être mesurée en attosecondes.

En s’appuyant sur ces travaux, les chercheurs de l’Université de l’Alberta ont mis au point un microscope dans lequel un puissant laser est divisé et converti en deux parties : une impulsion électronique très rapide et deux impulsions lumineuses ultra-courtes. La première impulsion lumineuse, appelée impulsion de pompage, alimente un échantillon en énergie et provoque le déplacement des électrons ou d’autres changements rapides.

La deuxième impulsion lumineuse, également appelée « impulsion de déclenchement optique », agit comme une porte en créant une brève fenêtre de temps au cours de laquelle l’impulsion électronique unique d’une attoseconde est générée. La vitesse de l’impulsion de déclenchement détermine donc la résolution de l’image. En synchronisant soigneusement les deux impulsions, les chercheurs contrôlent le moment où les impulsions électroniques sondent l’échantillon pour observer les processus ultrarapides au niveau atomique.

« L’amélioration de la résolution temporelle à l’intérieur des microscopes électroniques est attendue depuis longtemps et fait l’objet de l’attention de nombreux groupes de recherche, car nous voulons tous voir le mouvement des électrons », a déclaré Hassan.

« Ces mouvements se produisent en attosecondes. Mais aujourd’hui, pour la première fois, nous sommes capables d’atteindre une résolution temporelle de l’ordre de l’attoseconde grâce à notre microscope à transmission électronique, que nous avons baptisé “attomicroscopie”. Pour la première fois, nous pouvons voir des morceaux d’électrons en mouvement. »