Une équipe de chercheurs japonais a mis au point un miroir pour rayons X capable de se déformer de manière flexible, offrant ainsi une précision remarquable au niveau atomique et une stabilité accrue. Cette nouvelle technologie, développée par Satoshi Matsuyama et Takato Inoue de l’École supérieure d’ingénierie de l’Université de Nagoya, en collaboration avec RIKEN et JTEC Corporation, améliore les performances des microscopes à rayons X et d’autres technologies utilisant des miroirs à rayons X.
Le microscope à rayons X : un outil d’imagerie avancé
Un microscope à rayons X est un outil d’imagerie avancé qui comble le fossé entre la microscopie électronique et la microscopie optique. Il utilise des rayons X, qui offrent une meilleure résolution que la lumière et peuvent pénétrer des échantillons trop épais pour les électrons. Cela permet d’imager des structures difficiles à voir avec d’autres techniques de microscopie.
Les microscopes à rayons X sont particulièrement précieux dans des domaines tels que la science des matériaux et la biologie, car ils peuvent observer la composition, l’état chimique et la structure interne d’un échantillon. Leur haute résolution les rend indispensables pour des inspections de pointe, comme celles des catalyseurs et des batteries.
Les miroirs jouent un rôle vital dans les microscopes à rayons X. Ils réfléchissent les faisceaux de rayons X, permettant une imagerie haute résolution de structures complexes. Des images de haute qualité et des mesures précises sont nécessaires, en particulier dans des domaines scientifiques de pointe.
La petite longueur d’onde des rayons X les rend toutefois vulnérables aux distorsions causées par des défauts de fabrication mineurs et des influences environnementales. Cela crée des aberrations de front d’onde qui peuvent limiter la résolution des images. Matsuyama et ses collaborateurs ont résolu ce problème en créant un miroir capable de se déformer, ajustant sa forme en fonction du front d’onde des rayons X détecté.
Optimisation du miroir grâce aux matériaux piézoélectriques
Pour optimiser leur miroir, les chercheurs se sont penchés sur les matériaux piézoélectriques. Ces matériaux sont utiles car ils peuvent se déformer ou changer de forme lorsqu’un champ électrique est appliqué. Cela permet au matériau de se remodeler pour répondre même aux aberrations mineures dans le front d’onde détecté.
Après avoir envisagé divers composés, les chercheurs ont choisi un cristal unique de niobate de lithium comme miroir déformable. Le niobate de lithium monocristallin est utile dans la technologie des rayons X car il peut être étendu et contracté par un champ électrique et poli pour obtenir une surface hautement réfléchissante. Cela lui permet de servir à la fois d’actionneur et de surface réfléchissante, simplifiant ainsi l’appareil.
« Les miroirs déformables conventionnels pour rayons X sont fabriqués en collant un substrat en verre et une plaque de PZT. Cependant, l’assemblage de matériaux dissemblables n’est pas idéal et entraîne une instabilité », a indiqué Matsuyama.
« Pour surmonter ce problème, nous avons utilisé un matériau piézoélectrique monocristallin, offrant une stabilité exceptionnelle car il est constitué d’un matériau uniforme sans collage. Grâce à cette structure simple, le miroir peut être librement déformé avec une précision atomique. De plus, cette précision a été maintenue pendant sept heures, confirmant sa stabilité extrêmement élevée. »
Des résultats prometteurs pour l’avenir
Lorsqu’ils ont testé leur nouvel appareil, l’équipe de Matsuyama a constaté que leur microscope à rayons X dépassait les attentes. Sa haute résolution le rend particulièrement adapté à l’observation d’objets microscopiques, tels que les composants de dispositifs semi-conducteurs. Comparée à la résolution spatiale de la microscopie à rayons X conventionnelle (typiquement 100 nm), leur technique a le potentiel de développer un microscope offrant une résolution environ 10 fois meilleure (10 nm) grâce à la correction des aberrations qui la rapproche de la résolution idéale.
« Cette réalisation favorisera le développement de microscopes à rayons X haute résolution, qui étaient limités par la précision du processus de fabrication », a déclaré Matsuyama. « Ces miroirs peuvent être appliqués à d’autres appareils à rayons X, tels que les dispositifs de lithographie, les télescopes, les scanners CT en diagnostic médical et la formation de nanofaisceaux de rayons X. »
L’étude, intitulée « Monolithic deformable mirror based on lithium niobate single crystal for high-resolution X-ray adaptive microscopy », a été publiée dans Optica le 30 avril 2024, sous le DOI : 10.1364/OPTICA.516909.
Légende illustration : Un nouveau type de miroir déformable pour microscope à rayons X, qui permet d’obtenir une résolution d’image élevée grâce à la correction du front d’onde. (crédit : laboratoire Matsuyama, université de Nagoya)
