Ondes sonores nanométriques : une nouvelle dimension pour l’imagerie à haute résolution

Dans un univers où l’infiniment petit joue un rôle déterminant, une équipe de chercheurs a mis en lumière les capacités impressionnantes d’une forme ultra-rapide de microscopie électronique à transmission pour mesurer les ondes sonores dans les nanostructures.

Cette découverte pourrait être la clé d’une méthode d’imagerie de haute résolution exploitant les ondes sonores de très haute fréquence pour visualiser des structures à l’échelle du nanomètre.

Les ondes sonores : un outil d’imagerie prometteur

L’échographie, méthode bien connue en médecine, est couramment utilisée pour visualiser les organes internes ou les fœtus en développement. Les ondes sonores utilisées ont généralement une longueur d’onde de quelques millimètres, ce qui permet d’obtenir une résolution d’image équivalente.

Cependant, cette résolution, bien que suffisante pour l’imagerie médicale, laisse à désirer pour les physiciens souhaitant visualiser des structures matérielles de taille nanométrique.

« Si nous parvenons à utiliser des ondes sonores dont les longueurs d’onde sont d’environ 100 nanomètres, nous pourrions les utiliser pour inspecter les matériaux, par exemple pour détecter des défauts« , explique Asuka Nakamura du RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS). « Mais la sensibilité aux petits défauts dépend vraiment de la longueur d’onde.« 

L’utilisation d’un microscope électronique ultra-rapide

Pour résoudre ce défi, il est nécessaire de générer et de détecter des ondes sonores de longueurs d’onde plus petites (et donc de fréquences plus élevées). La génération de ces ondes sonores de haute fréquence est relativement aisée, les impulsions laser ultra-courtes ayant été utilisées pour les générer dans les métaux et les semi-conducteurs depuis plusieurs décennies. Cependant, leur détection est beaucoup plus complexe, car elle nécessite le développement de détecteurs capables d’atteindre une résolution de l’ordre du nanomètre dans l’espace et de la picoseconde dans le temps.

C’est là qu’intervient le microscope électronique ultra-rapide à transmission (UTEM). Nakamura, accompagnée de ses collègues Takahiro Shimojima et Kyoko Ishizaka du CEMS, a démontré le potentiel de ce microscope pour l’imagerie des ondes sonores de très haute fréquence.

Plus précisément, ils ont utilisé un UTEM pour détecter des ondes sonores générées par un trou de 200 nanomètres au centre d’une plaque de silicium ultra-mince. L’UTEM utilise deux faisceaux laser légèrement décalés dans le temps. Un faisceau illumine l’échantillon tandis que l’autre génère une impulsion ultra-courte d’électrons dans le microscope. Cette configuration permet de résoudre des échelles de temps très courtes.

Une corrélation théorique et expérimentale prometteuse

La comparaison entre les simulations théoriques des ondes et les images obtenues expérimentalement a révélé une correspondance satisfaisante. La qualité des images a même surpassé les attentes de l’équipe, leur permettant d’effectuer une analyse par transformation de Fourier sur les images – une technique analytique mathématique couramment utilisée.

« Avant de réaliser ces expériences, nous n’avions pas l’intention de caractériser les ondes sonores, » admet Nakamura. « Mais après avoir pris les données, nous avons remarqué qu’elles étaient très belles, et nous avons pu appliquer la transformation de Fourier. C’était surprenant pour moi. »

Les chercheurs envisagent maintenant d’étudier la dynamique structurelle et magnétique ultra-rapide dans les solides induite par ces ondes sonores nanométriques en utilisant l’UTEM.

En synthèse

Cette recherche démontre le potentiel d’une nouvelle approche en microscopie qui pourrait permettre d’explorer les structures matérielles au niveau nanométrique avec une précision sans précédent. Les ondes sonores de très haute fréquence, une fois générées et correctement détectées, ouvrent des horizons prometteurs pour l’inspection et la caractérisation des matériaux. Les chercheurs du CEMS continuent d’explorer cette voie, avec l’ambition d’étudier la dynamique ultra-rapide structurelle et magnétique induite par ces ondes sonores nanométriques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le microscope électronique ultra-rapide à transmission (UTEM) ?

Un UTEM est une forme spéciale de microscope électronique qui utilise deux faisceaux laser avec un léger décalage entre eux pour détecter des structures très petites et sur des échelles de temps très courtes.

Quel est l’intérêt des ondes sonores de très haute fréquence pour l’imagerie ?

En utilisant des ondes sonores de très haute fréquence (et donc de petites longueurs d’onde), il est possible d’atteindre une résolution suffisamment élevée pour visualiser et inspecter des structures matérielles de l’ordre du nanomètre.

Quels sont les prochains objectifs des chercheurs ?

Les chercheurs de RIKEN envisagent d’étudier la dynamique structurelle et magnétique ultra-rapide dans les solides induite par ces ondes sonores nanométriques à l’aide de l’UTEM.