Des chercheurs américains ont développé une méthode innovante pour visualiser des objets trop petits pour être observés avec des microscopes traditionnels. Cette découverte pourrait avoir un impact significatif sur l’amélioration des nanotechnologies, notamment les semi-conducteurs miniatures présents dans les puces électroniques.
La recherche s’inscrit dans le domaine de la ptychographie, une technique permettant d’observer des objets de très petite taille.
Contrairement aux microscopes traditionnels, les outils de ptychographie n’observent pas directement les petits objets. Ils éclairent plutôt une cible avec des lasers, puis mesurent la manière dont la lumière se disperse, un peu comme l’équivalent microscopique de la création d’ombres chinoises sur un mur.
Jusqu’à présent, cette approche a été très efficace, à une exception près, selon Margaret Murnane, professeure émérite de physique à l’Université du Colorado et co-auteure de l’étude. « Récemment, cela a complètement échoué pour les échantillons hautement périodiques, ou les objets présentant un motif régulièrement répétitif », explique-t-elle. « C’est un problème car cela inclut de nombreuses nanotechnologies. »
Des faisceaux de lumière en forme de donut
Dans cette nouvelle étude, Margaret Murnane et ses collègues ont trouvé une solution en utilisant des faisceaux de lumière ultraviolette extrême en forme de donut. Cette approche innovante permet de collecter des images précises de structures minuscules et délicates, d’une taille comprise entre 10 et 100 nanomètres, soit plusieurs fois plus petites qu’un millionième de pouce.
Les faisceaux en forme de donut, ou à moment angulaire optique, n’endommagent pas les minuscules composants électroniques lors du processus d’imagerie, contrairement à certains outils d’imagerie existants, tels que les microscopes électroniques.
Repousser les limites des microscopes
La recherche repousse les limites fondamentales des microscopes. En raison de la physique de la lumière, les outils d’imagerie utilisant des lentilles ne peuvent voir le monde qu’à une résolution d’environ 200 nanomètres, ce qui n’est pas suffisant pour capturer de nombreux virus, par exemple, qui infectent les humains.
La ptychographie, développée au milieu des années 2000, pourrait aider les chercheurs à dépasser cette limite. Au lieu d’utiliser une lentille pour récupérer l’image, les scientifiques utilisent des algorithmes pour analyser les motifs complexes créés par la dispersion de la lumière.
En utilisant des faisceaux de lumière ultraviolette extrême en forme de donut, l’équipe de chercheurs a découvert que ces faisceaux produisaient des ombres chinoises beaucoup plus complexes lorsqu’ils étaient réfléchis par des structures répétitives, contrairement aux lasers traditionnels.
Pour tester cette nouvelle approche, les chercheurs ont créé un maillage d’atomes de carbone avec une minuscule rupture dans l’un des liens. Le groupe a pu repérer ce défaut avec une précision inédite dans les outils ptychographiques.
En synthèse
Cette nouvelle technique d’imagerie en forme de donut pourrait révolutionner l’étude des nanotechnologies et permettre d’observer des objets encore plus petits et fragiles, y compris un jour, le fonctionnement des cellules biologiques vivantes. Les chercheurs continueront à travailler sur l’amélioration de cette méthode pour offrir des images encore plus précises et détaillées des structures nanométriques.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la ptychographie ?
La ptychographie est une technique d’imagerie qui permet d’observer des objets de très petite taille. Elle utilise des lasers pour éclairer une cible, puis mesure la manière dont la lumière se disperse.
Quel est le problème avec la ptychographie traditionnelle ?
La ptychographie traditionnelle a du mal à visualiser des échantillons hautement périodiques, ou des objets présentant un motif régulièrement répétitif. Cela inclut de nombreuses nanotechnologies.
Comment les chercheurs ont-ils résolu ce problème ?
Les chercheurs ont utilisé des faisceaux de lumière ultraviolette extrême en forme de donut pour éclairer les objets. Cette approche a permis de collecter des images précises de structures minuscules et délicates.
Quels sont les avantages de cette nouvelle technique ?
Cette nouvelle technique permet de visualiser des structures d’une taille comprise entre 10 et 100 nanomètres, sans endommager les minuscules composants électroniques lors du processus d’imagerie.
Quelles sont les applications futures de cette technique ?
À l’avenir, cette technique pourrait être utilisée pour inspecter les polymères utilisés pour fabriquer et imprimer des semi-conducteurs pour détecter des défauts, sans endommager ces structures dans le processus.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| La ptychographie est une technique d’imagerie pour observer des objets de très petite taille. |
| La ptychographie traditionnelle a du mal à visualiser des échantillons hautement périodiques. |
| Les chercheurs ont utilisé des faisceaux de lumière ultraviolette extrême en forme de donut pour résoudre ce problème. |
| Cette nouvelle technique permet de visualiser des structures d’une taille comprise entre 10 et 100 nanomètres. |
| Cette technique n’endommage pas les minuscules composants électroniques lors du processus d’imagerie. |
| À l’avenir, cette technique pourrait être utilisée pour inspecter les polymères utilisés pour fabriquer et imprimer des semi-conducteurs. |
| Cette recherche repousse les limites fondamentales des microscopes. |
| Les chercheurs utilisent des algorithmes pour analyser les motifs complexes créés par la dispersion de la lumière. |
| Les faisceaux de lumière en forme de donut produisent des ombres chinoises beaucoup plus complexes lorsqu’ils sont réfléchis par des structures répétitives. |
| Cette nouvelle technique pourrait permettre un jour d’observer le fonctionnement des cellules biologiques vivantes. |
Références
Légende illustration principale: Motif de diffusion produit par des faisceaux lumineux en forme de beignet rebondissant sur un objet dont la structure se répète régulièrement. Crédit : Wang, et al., 2023, « Optica »
Article : « High-fidelity ptychographic imaging of highly periodic structures enabled by vortex high harmonic beams » – DOI:10.1364/OPTICA.498619
University of Colorado Boulder, « Optics & Photonics News », Margaret Murnane, JILA, National Institute of Standards and Technology (NIST)
