Les progrès de la microscopie électronique - utilisant les électrons comme outils d'imagerie pour voir des choses bien au-delà de la portée des microscopes conventionnels utilisant la lumière - ont ouvert une nouvelle fenêtre sur le monde nanométrique et mis au point un large éventail d'échantillons comme jamais auparavant.

Les expériences de microscopie électronique ne peuvent utiliser qu'une fraction des informations possibles générées lorsque le faisceau d'électrons du microscope interagit avec les échantillons. Maintenant, une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a conçu un nouveau type de détecteur d'électrons qui capture toutes les informations de ces interactions.

Ce nouvel outil, un détecteur ultra-rapide installé le 12 février à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, une installation d'utilisateurs scientifiques à l'échelle nanométrique, capture plus d'images à un rythme plus rapide, révélant des détails à l'échelle atomique sur des zones beaucoup plus vastes qu'auparavant. La fonderie moléculaire et ses microscopes électroniques de classe mondiale du Centre national de microscopie électronique (NCEM) offrent un accès aux chercheurs du monde entier.

Une imagerie plus rapide peut également révéler des changements importants que subissent les échantillons et fournir des films par rapport à des instantanés isolés. Ça pourrait, par exemple, aider les scientifiques à mieux explorer les composants fonctionnels des batteries et des micropuces à l'échelle atomique avant l'apparition des dommages.

Le détecteur, qui a une connexion directe spéciale au supercalculateur Cori au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique du laboratoire (NERSC), permettra aux scientifiques d'enregistrer des images à l'échelle atomique avec un timing mesuré en microsecondes, ou des millionièmes de seconde - 60 fois plus rapide que possible avec les détecteurs existants.

"C'est le détecteur d'électrons le plus rapide jamais fabriqué, " dit André Minor, Directeur d'installation NCEM à la Fonderie Moléculaire.

"Cela ouvre un nouveau régime temporel à explorer avec la microscopie à haute résolution. Personne n'a jamais pris de films en continu à cette résolution temporelle" en utilisant l'imagerie électronique, il a dit. "Que se passe-t-il là-bas ? Il y a toutes sortes de dynamiques qui peuvent se produire. Nous ne savons tout simplement pas parce que nous n'avons jamais pu les regarder auparavant." Les nouveaux films pourraient révéler de minuscules déformations et mouvements dans les matériaux, par exemple, et montrez la chimie en action.

Le développement du nouveau détecteur, connue sous le nom de "Caméra 4-D" (pour Dynamic Diffraction Direct Detector), est la dernière d'une série d'innovations pionnières en microscopie électronique, imagerie à l'échelle atomique, et le transfert de données et l'informatique à grande vitesse au Berkeley Lab qui s'étendent sur plusieurs décennies.

"Notre groupe travaille depuis un certain temps sur la fabrication de meilleurs détecteurs pour la microscopie, " a déclaré Peter Denes, un scientifique senior du Berkeley Lab et un pionnier de longue date dans le développement d'outils de microscopie électronique.

"Vous obtenez un motif de diffusion complet au lieu d'un seul point, et vous pouvez revenir en arrière et réanalyser les données pour trouver des choses sur lesquelles vous n'étiez peut-être pas concentré auparavant, ", a déclaré Denes. Cela produit rapidement une image complète d'un échantillon en le balayant avec un faisceau d'électrons et en capturant des informations basées sur les électrons qui se dispersent sur l'échantillon.

Marie Scott, chercheur à la Molecular Foundry, a déclaré que la géométrie unique du nouveau détecteur permet d'étudier côte à côte des éléments légers et lourds dans des matériaux. "La raison pour laquelle vous pourriez vouloir effectuer l'une de ces expériences plus compliquées serait de mesurer les positions des éléments légers, en particulier dans les matériaux qui pourraient être très sensibles au faisceau d'électrons - comme le lithium dans un matériau de batterie - et idéalement, vous seriez également en mesure de mesurer avec précision les positions des éléments lourds dans ce même matériau, " elle a dit.

Le nouveau détecteur a été installé sur le microscope à correction d'aberration électronique à transmission 0.5 (TEAM 0.5) de la fonderie moléculaire, qui a établi des records de haute résolution lors de son lancement au NCEM il y a dix ans et permet aux chercheurs invités d'accéder à une résolution à un seul atome pour certains échantillons. Le détecteur générera 4 téraoctets de données par minute.

"La quantité de données équivaut à en regarder environ 60, 000 films HD simultanément, " dit Pierre Ercius, un scientifique de la Molecular Foundry qui se spécialise dans l'imagerie 3D à l'échelle atomique.

Brent Draney, un architecte réseau au NERSC de Berkeley Lab, a déclaré qu'Ercius et Denes avaient approché le NERSC pour voir ce qu'il faudrait pour construire un système capable de gérer cet énorme, Flux de données de 400 gigabits produit par la caméra 4-D.

Sa réponse :« En fait, nous avons déjà un système capable de faire cela. Ce que nous avions vraiment besoin de faire, c'était de construire un réseau entre le microscope et le supercalculateur.

Les données de la caméra sont transférées sur environ 100 connexions à fibre optique dans une connexion Ethernet haut débit d'environ 1, 000 fois plus rapide que le réseau domestique moyen, dit Ian Johnson, un scientifique de la division d'ingénierie de Berkeley Lab. Le réseau relie la fonderie au supercalculateur Cori du NERSC.

Réseau des sciences de l'énergie du Berkeley Lab (ESnet), qui relie les centres de recherche aux réseaux de données à haut débit, participé à l'effort.

Ercius a dit, "Le supercalculateur analysera les données en environ 20 secondes afin de fournir un retour rapide aux scientifiques au microscope pour dire si l'expérience a réussi ou non."

Jim Ciston, un autre scientifique de la Molecular Foundry, mentionné, « Nous allons en fait capturer chaque électron qui traverse l'échantillon au fur et à mesure qu'il est dispersé. Grâce à cet ensemble de données très volumineux, nous pourrons effectuer des expériences « virtuelles » sur l'échantillon – nous n'aurons pas à revenir en arrière et à prendre de nouvelles données de différentes conditions d'imagerie."

Les travaux sur le nouveau détecteur et ses systèmes de données connexes devraient profiter à d'autres installations qui produisent de gros volumes de données, tels que la source lumineuse avancée et sa mise à niveau prévue, et le projet LCLS-II au SLAC National Accelerator Laboratory, a noté Ciston.

La source lumineuse avancée, ESnet, Fonderie Moléculaire, et NERSC sont les installations des utilisateurs du DOE Office of Science.

Le développement de la caméra 4-D a été soutenu par le programme de recherche sur les accélérateurs et les détecteurs du Bureau des sciences fondamentales de l'énergie du ministère de l'Énergie, et le travail à la fonderie moléculaire a été soutenu par le bureau des sciences de l'énergie de base du DOE.