Les scientifiques de DESY ont développé de nouvelles lentilles qui permettent la microscopie à rayons X avec une résolution record dans le régime nanométrique. Utiliser de nouveaux matériaux, l'équipe de recherche dirigée par le scientifique de DESY Sasa Bajt du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) a perfectionné la conception d'optiques à rayons X spécialisées et a atteint une taille de point focal d'un diamètre inférieur à dix nanomètres. Un nanomètre est un millionième de millimètre et est plus petit que la plupart des particules virales. Les chercheurs rapportent leurs travaux dans la revue Lumière :science et applications . Ils ont utilisé avec succès leurs lentilles pour imager des échantillons de plancton marin.

Les accélérateurs de particules modernes fournissent des faisceaux de rayons X ultra-lumineux et de haute qualité. La courte longueur d'onde et la nature pénétrante des rayons X sont idéales pour l'étude microscopique de matériaux complexes. Cependant, tirer pleinement parti de ces propriétés nécessite une optique très efficace et presque parfaite dans le régime des rayons X. Malgré des efforts considérables dans le monde entier, cela s'est avéré plus difficile que prévu, et la réalisation d'un microscope à rayons X capable de résoudre des caractéristiques inférieures à dix nanomètres est toujours un grand défi.

En raison de leurs propriétés uniques, les rayons X ne peuvent pas être focalisés aussi facilement que la lumière visible. Une façon consiste à utiliser des optiques à rayons X spécialisées appelées lentilles de Laue multicouches (MLL). Ces lentilles sont constituées de couches alternées de deux matériaux différents avec une épaisseur nanométrique. Ils sont préparés avec un processus de revêtement appelé dépôt par pulvérisation. Contrairement aux optiques conventionnelles, Les MLL ne réfractent pas la lumière mais fonctionnent en diffractant les rayons X incidents de manière à concentrer le faisceau sur un petit point. Pour y parvenir, l'épaisseur de couche des matériaux doit être contrôlée avec précision. Les couches doivent changer progressivement d'épaisseur et d'orientation dans toute la lentille. La taille du foyer est proportionnelle à la plus petite épaisseur de couche dans la structure MLL.

Pour répondre à la précision requise, L'équipe de Bajt a combiné un nouveau processus de fabrication avec une compréhension détaillée des propriétés du matériau, qui varient souvent avec l'épaisseur de la couche. Les nouveaux verres se composent de plus de 10 000 couches alternées d'une nouvelle combinaison de matériaux, carbure de tungstène et carbure de silicium. "La sélection de la bonne paire de matériaux était essentielle pour le succès, " souligne Bajt. " Cela n'exclut pas d'autres combinaisons de matériaux mais c'est certainement la meilleure que nous connaissons actuellement. "

Pour focaliser un faisceau de rayons X dans les directions verticale et horizontale, il doit traverser deux lentilles orientées perpendiculairement. En utilisant cette configuration, une taille de spot de 8,4 nanomètres sur 6,8 nanomètres a été mesurée à la station expérimentale Hard X-ray Nanoprobe de la National Synchrotron Light Source NSLS II au Brookhaven National Laboratory aux États-Unis. La taille du foyer est ce qui définit la résolution du microscope à rayons X. La résolution des nouveaux objectifs est environ cinq fois supérieure à celle obtenue avec des objectifs à la pointe de la technologie.

« Nous avons produit le plus petit foyer de rayons X au monde à l'aide d'objectifs à haute efficacité, " dit Bajt. En raison de leur nature pénétrante, Les rayons X passeraient généralement directement à travers les matériaux de la lentille. De tels rayons ne contribuent évidemment pas à la mise au point, et donc un objectif à long terme a été de produire des structures de lentilles qui améliorent l'interaction avec les rayons X, pour diriger une fraction élevée dans le foyer. Les nouvelles lentilles ont une efficacité de plus de 80 pour cent. Cette haute efficacité est obtenue grâce aux structures en couches qui composent la lentille et qui agissent comme un cristal artificiel pour diffracter les rayons X de manière contrôlée.

Le rendement élevé atteint ici démontre le très haut niveau de contrôle dans la production des structures nanométriques nécessaires. Cette précision permet l'imagerie par projection sur une large gamme de grossissements, comme le démontrent les tests des nouvelles lentilles. Sur la ligne de lumière P11 de la source de rayons X PETRA III de DESY, les scientifiques ont produit des hologrammes à haute résolution d'Acantharea, Radiolaires unicellulaires appartenant au plancton marin et les seuls organismes connus pour former des squelettes à partir du minéral sulfate de strontium (SrSO4) ou de la célestite.

L'équipe de Bajt a également utilisé les nouvelles lentilles pour imager les coquilles biominéralisées des diatomées planctoniques marines. Ces organismes unicellulaires ont des coquilles complexes, qui sont des constructions stables très complexes mais aussi légères. Ils sont constitués de silice nanostructurée, ce qui a été observé dans des analyses bidimensionnelles avec des microscopes électroniques auparavant. Très probablement à cause de cette structuration, la résistance de la silice est exceptionnellement élevée - dix fois plus élevée que celle de l'acier de construction - bien qu'elle soit produite dans des conditions de température et de pression basses.

« Nous espérons que la nouvelle optique à rayons X permettra bientôt d'imager ces nanostructures en 3D. Cela nous permettra de modéliser et de comprendre les hautes performances mécaniques de ces coques et nous aidera à développer de nouvelles, matériaux respectueux de l'environnement et performants, " dit Christian Hamm de l'Institut Alfred Wegener, Centre Helmholtz pour la recherche polaire et marine (AWI), qui a fourni les échantillons et est co-auteur de cette étude.

Les nouvelles lentilles peuvent être utilisées dans un large éventail d'applications, notamment l'imagerie et la spectroscopie à nano-résolution. "Ces MLL ouvrent de nouvelles opportunités passionnantes dans la science des rayons X. Elles peuvent être conçues pour différentes énergies et utilisées avec des sources cohérentes, tels que les lasers à rayons X à électrons libres, " dit Bajt. " Cette grande réalisation n'aurait pas été possible sans une équipe formidable avec une expertise en optique et théorie des rayons X, nanofabrication, science matérielle, informatique et instrumentation. Puisque nous savons maintenant comment optimiser la conception des lentilles, notre travail ouvre la voie pour finalement atteindre l'objectif d'une résolution d'un nanomètre en microscopie à rayons X. »