Révolution en microscopie : des chercheurs de Göttingen contrôlent les faisceaux d'électrons !

Révolution en microscopie : des chercheurs de Göttingen contrôlent les faisceaux d'électrons !

La capacité d’étudier la structure atomique et la dynamique de la matière est continuellement améliorée grâce aux technologies modernes. Un exemple révolutionnaire est le développement d'un microscope électronique attoseconde par le professeur Peter Baum et son équipe du Université de Constance. Ce dispositif innovant peut visualiser les oscillations électriques de la lumière et permet une compréhension approfondie des mouvements des atomes et des électrons, qui sont cruciaux pour les propriétés des matériaux. Les mesures sur des périodes de temps de femtosecondes, voire d'attosecondes – des trillionièmes et des milliardièmes de seconde – offrent de nouvelles perspectives sur le comportement de la matière basé sur la disposition des atomes et des électrons.

Les méthodes de mesure précédentes étaient limitées dans leur efficacité et ne pouvaient enregistrer que des processus stimulés par des impulsions laser à haute énergie. Le nouveau développement prévu par Baum et son équipe, financé par un ERC Advanced Grant de 3,1 millions d'euros, vise à surmonter ces limites. Le projet durera cinq ans et vise à créer de nouveaux microscopes électroniques capables d'observer des scénarios complets de processus déclenchés électriquement, magnétiquement ou autrement. En utilisant des séquences générées spécifiquement et des modèles spatiaux d’impulsions électroniques ultracourtes, l’objectif est de parvenir à une observation plus complète de la dynamique atomique.

Avancées technologiques en microscopie électronique

Un défi particulier consiste à rendre visibles les changements structurels microscopiques sur des échelles de temps courtes. Le nouveau microscope électronique à transmission ultrarapide (UTEM) jouera un rôle clé dans cette recherche. Il utilise un processus de « pompage » avec deux impulsions laser temporisées. La première impulsion laser excite l'échantillon, tandis que la seconde génère une impulsion électronique qui cartographie la dynamique. Cette technologie est unique en Allemagne et peut révolutionner la méthodologie précédente.

L’UTEM bénéficiera grandement des progrès de la microscopie électronique à résolution temporelle au cours des dernières décennies. Des travaux sont en cours pour améliorer ces technologies depuis les années 1980, et des progrès significatifs ont été réalisés par des équipes de recherche du monde entier, comme à Göttingen, où de nouveaux systèmes de caméras ont été développés depuis 2010.

Une nouvelle ère de méthodes de mesure de la mécanique quantique

Outre les progrès de la microscopie électronique, des chercheurs de Göttingen et de Suisse ont récemment réussi à manipuler un faisceau d'électrons à l'aide d'un système de micropuce optique. Ces découvertes ouvrent de nouvelles possibilités pour les méthodes de mesure de la mécanique quantique en microscopie électronique. En utilisant des systèmes photoniques intégrés capables de diriger avec précision la lumière, les interactions entre les électrons libres et les photons sont améliorées. Cela permet au faisceau d’électrons de traverser le champ optique proche d’un microrésonateur photonique, entraînant des changements significatifs dans l’énergie des électrons.

Cela permet aux électrons d’absorber plusieurs centaines de photons, élargissant ainsi l’applicabilité de la manipulation des faisceaux électroniques dans les microscopes électroniques conventionnels. Cette combinaison de microscopie électronique et de photonique revêt une grande importance pour les progrès dans des domaines tels que la science des matériaux, la biologie structurale et l’informatique quantique, car elle permet l’imagerie et la spectroscopie à haute résolution.

Dans l'ensemble, on peut dire que le déplacement des limites de ce qui peut être mesuré grâce à des technologies innovantes telles que le microscope électronique attoseconde de Baum et l'UTEM, ainsi que la combinaison avec la photonique de haute précision, ouvrent la voie à une nouvelle ère de recherche sur les matériaux dans laquelle les processus dynamiques au niveau atomique deviennent de plus en plus clairs.