Tout le monde réagit différemment sous le stress, même les atomes relativement ordonnés dans un cristal. Si les scientifiques pouvaient obtenir une image claire de la façon dont les plans des atomes se déplacent et se contractent sous le stress, ils pourraient utiliser ces propriétés pour fournir des technologies émergentes, comme la nanoélectronique et les composants semi-conducteurs de nouvelle génération, avec une vitesse ou des fonctionnalités supplémentaires. Cependant, créer cette image nécessite de nouvelles techniques d'imagerie des atomes dans les matériaux et de leur comportement dans différents environnements.

Dans une récente étude collaborative de l'Institut Fresnel, IBM et le laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les scientifiques ont développé une nouvelle forme d'imagerie qui utilise des diagrammes de diffraction des rayons X, appelée ptychographie de Bragg à angle unique.

Bien que la ptychographie de Bragg et surtout la diffraction des rayons X existent depuis un certain temps, La ptychographie de Bragg à angle unique permet une reconstruction plus facile des données 3D sur la façon dont la contrainte affecte un matériau.

En diffraction des rayons X, les atomes à l'intérieur d'un matériau « dispersent » les rayons X entrants, produire un signal sur un détecteur. Parce qu'il y a tellement d'événements de diffraction qui se chevauchent simultanément, il peut être difficile d'identifier la contribution d'une petite région particulière du réseau au signal global. Pour compenser cela, les scientifiques utilisent une méthode appelée analyse de Fourier, qui convertit essentiellement le signal global en une série d'ondes avec des pics et des vallées qui correspondent aux intensités relatives des différentes parties du signal.

Cependant, le simple fait de faire de la diffraction aux rayons X ne raconte qu'une partie de l'histoire, a déclaré l'auteur principal et scientifique des matériaux d'Argonne, Stephan Hruszkewycz. "Afin de vraiment voir et comprendre la tension dans l'espace réel, vous avez besoin d'informations à la fois sur l'intensité et la phase, " a-t-il dit. " Ce dont nous avions besoin, c'était d'une astuce pour récupérer les phases manquantes du motif de diffraction. "

La phase peut être comprise en imaginant des vagues clapotant sur le rivage après que quelqu'un ait jeté une poignée de pierres dans un étang immobile. Mesurer la hauteur des vagues sur le rivage ainsi que leur heure d'arrivée pourrait vous permettre de "regarder la vague à l'envers" en reconstituant les positions et les tailles de tous les rochers lorsqu'ils touchent l'eau. Détecteurs de rayons X, cependant, mesurer seulement la hauteur des vagues; phases, c'est-à-dire lorsque la vague atteint le rivage, doit être récupéré par d'autres moyens.

L'astuce utilisée par les auteurs vient de la ptychographie, une technique capable de récupérer des informations de phase en utilisant un échantillonnage redondant de la même région du cristal. En ne déplaçant que légèrement le faisceau de rayons X, et en imageant jusqu'à 60 % du même espace réel entre les positions des faisceaux, l'équipe a pu extraire des informations sur la phase.

« En substance, en ayant beaucoup de la même information encodée dans des échantillons voisins, il contraint les configurations possibles du cristal dans l'espace réel, ", a déclaré Hruszkewycz.

La vraie avance, cependant, ne provient pas d'informations recueillies par diffraction, mais du positionnement du faisceau lui-même. Parce que les chercheurs savaient exactement où le faisceau était positionné et l'angle auquel les plans atomiques du cristal diffuseraient les rayons X, ils ont pu extraire des informations supplémentaires sur la façon dont la contrainte a affecté le matériau en trois dimensions.

"La plupart des techniques de diffraction, dont certains ptychographiques, ne donnent vraiment qu'une représentation 2-D de l'échantillon d'intérêt, " a déclaré Hruszkewycz. " Cette technique nécessite également moins d'exigences en termes de technologie de l'instrument que des techniques comparables pour générer des informations 3D sur les matériaux. "

Un article basé sur l'étude, "Microscopie structurelle tridimensionnelle haute résolution par ptychographie de Bragg à angle unique, " est paru en novembre dans l'édition en ligne de Matériaux naturels .