Concevoir et améliorer des matériaux de stockage d'énergie, appareils intelligents, et bien d'autres technologies, les chercheurs doivent comprendre leur structure cachée et leur chimie. Techniques de recherche avancées, comme l'imagerie par diffraction électronique ultra-rapide peut révéler cette information. Maintenant, un groupe de chercheurs du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) a développé une nouvelle version améliorée de la diffraction électronique à l'installation d'essai des accélérateurs (ATF) de Brookhaven, une installation utilisateur du DOE Office of Science qui offre une instrumentation expérimentale avancée et unique pour étudiant l'accélération des particules à des chercheurs du monde entier. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans Rapports scientifiques , une revue en libre accès de Nature Research.

Faire progresser une technique de recherche telle que la diffraction ultra-rapide des électrons aidera les futures générations de scientifiques des matériaux à étudier les matériaux et les réactions chimiques avec une nouvelle précision. De nombreux changements intéressants dans les matériaux se produisent extrêmement rapidement et dans de petits espaces, des techniques de recherche améliorées sont donc nécessaires pour les étudier en vue d'applications futures. Cette nouvelle version améliorée de la diffraction électronique offre un tremplin pour l'amélioration de diverses techniques de recherche liées aux faisceaux d'électrons et de l'instrumentation existante.

« Nous avons mis en œuvre notre nouveau système de focalisation pour les faisceaux d'électrons et démontré que nous pouvons améliorer considérablement la résolution par rapport à la technique conventionnelle du solénoïde, " a déclaré Xi Yang, auteur de l'étude et physicien des accélérateurs à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab. « La résolution dépend principalement des propriétés de la lumière - ou dans notre cas - du faisceau d'électrons. C'est universel pour toutes les techniques d'imagerie, y compris la microscopie optique et l'imagerie aux rayons X. Cependant, il est beaucoup plus difficile de focaliser les électrons chargés sur un faisceau en forme de crayon presque parallèle sur l'échantillon qu'avec la lumière, car les électrons sont chargés négativement et donc se repoussent. C'est ce qu'on appelle l'effet de charge d'espace. En utilisant notre nouvelle configuration, nous avons pu surmonter l'effet de charge d'espace et obtenir des données de diffraction trois fois plus lumineuses et deux fois plus nettes; c'est un grand pas en avant dans la résolution."

Chaque configuration de diffraction d'électrons utilise un faisceau d'électrons qui est focalisé sur l'échantillon afin que les électrons rebondissent sur les atomes de l'échantillon et se déplacent plus loin vers le détecteur situé derrière l'échantillon. Les électrons créent un diagramme de diffraction, qui peut être traduit dans la composition structurelle des matériaux à l'échelle nanométrique. L'avantage d'utiliser des électrons pour imager cette structure interne des matériaux est que la soi-disant limite de diffraction des électrons est très faible, ce qui signifie que les scientifiques peuvent résoudre des détails plus petits dans la structure par rapport à d'autres méthodes de diffraction.

Une équipe diversifiée de chercheurs était nécessaire pour améliorer une méthode de recherche aussi complexe. L'équipe du Brookhaven Lab était composée d'experts en faisceaux d'électrons du NSLS-II, experts en accélérateurs d'électrons de l'ATF, et des experts en science des matériaux du département Physique de la matière condensée et science des matériaux (CMPMS).

"Cette avancée n'aurait pas été possible sans la combinaison de toute notre expertise à travers Brookhaven Lab. À NSLS-II, nous avons une expertise sur la façon de gérer le faisceau d'électrons. Le groupe ATF a apporté l'expertise et les capacités des technologies du canon à électrons et du laser, qui étaient toutes deux nécessaires pour créer le faisceau d'électrons en premier lieu. Et le groupe CMPMS a l'expertise de l'échantillon et, bien sûr, pilote les besoins de l'application. C'est une synergie unique et, ensemble, nous avons pu montrer comment la résolution de la technique peut être améliorée de manière drastique, " dit Li Hua Yu, Physicien senior des accélérateurs NSLS-II et co-auteur de l'étude.

Pour obtenir sa résolution améliorée, l'équipe a développé une méthode différente de focalisation du faisceau d'électrons. Au lieu d'utiliser une approche conventionnelle qui implique des aimants solénoïdes, les chercheurs ont utilisé deux groupes de quatre aimants quadripolaires pour régler le faisceau d'électrons. Par rapport aux aimants solénoïdes, qui agissent comme une seule lentille pour façonner le faisceau, les aimants quadripolaires fonctionnent comme un système de lentille spécialisé pour les électrons, et ils ont donné aux scientifiques beaucoup plus de flexibilité pour régler et façonner le faisceau en fonction des besoins de leur expérience.

"Notre système de lentilles peut fournir une large gamme d'accordabilité du faisceau. Nous pouvons optimiser les paramètres les plus importants tels que la taille du faisceau, ou densité de charge, et la divergence du faisceau en fonction des conditions expérimentales, et donc fournir la meilleure qualité de faisceau pour les besoins scientifiques, " dit Yang.

L'équipe peut même ajuster les paramètres à la volée avec des outils d'optimisation en ligne et corriger toute non-uniformité de la forme du faisceau ; cependant, pour rendre cette mesure possible, l'équipe avait besoin de l'excellent faisceau d'électrons fourni par l'ATF. ATF dispose d'un canon à électrons qui génère un faisceau d'électrons extrêmement lumineux et ultracourt, qui offre les meilleures conditions pour la diffraction des électrons.

"L'équipe a utilisé un canon à photocathode qui génère les électrons par un processus appelé photoémission, " a déclaré Mikhaïl Fedurin, un physicien des accélérateurs à l'ATF. "Nous envoyons une impulsion laser ultracourte dans une cathode de cuivre, et lorsque l'impulsion atteint la cathode, un nuage d'électrons se forme sur le cuivre. Nous attirons les électrons à l'aide d'un champ électrique, puis les accélérons. La quantité d'électrons dans l'une de ces impulsions et notre capacité à les accélérer à des énergies spécifiques rendent notre système attrayant pour la recherche en science des matériaux, en particulier pour la diffraction ultrarapide des électrons. »

Le système de focalisation avec le faisceau d'électrons ATF est très sensible, les chercheurs peuvent ainsi mesurer les influences du champ magnétique terrestre sur le faisceau d'électrons.

"En général, les électrons sont toujours influencés par les champs magnétiques - c'est ainsi que nous les dirigeons dans les accélérateurs de particules en premier lieu ; cependant, l'effet du champ magnétique terrestre n'est pas négligeable pour le faisceau de basse énergie que nous avons utilisé dans cette expérience, " a déclaré Victor Smalyuk, Chef du groupe de physique des accélérateurs NSLS-II et co-auteur de l'étude. "Le faisceau s'est écarté de la trajectoire souhaitée, qui a créé des difficultés lors de la phase initiale de démarrage, nous avons donc dû corriger cet effet."

Au-delà de la haute luminosité du faisceau d'électrons et de la haute précision du système de focalisation, l'équipe avait également besoin du bon échantillon pour effectuer ces mesures. Le groupe CMPMS a fourni à l'équipe un film d'or polycristallin pour explorer pleinement le nouveau système de lentilles et le mettre à l'épreuve.

"Nous avons fabriqué l'échantillon en déposant les atomes d'or sur un film de carbone de plusieurs nanomètres d'épaisseur en utilisant une technique appelée évaporation thermique, " a déclaré Junjie Li, un physicien du département CMPMS. "Nous avons évaporé des particules d'or pour qu'elles se condensent sur le film de carbone et forment de minuscules, des nanoparticules isolées qui fusionnent lentement et forment le film polycristallin."

Ce film était essentiel pour les mesures car il a des cristaux orientés aléatoirement qui se confondent. Par conséquent, la structure interne de l'échantillon n'est pas uniforme, mais se compose de nombreux domaines orientés différemment, ce qui signifie que le diagramme de diffraction dépend principalement des qualités du faisceau d'électrons. Cela donne aux scientifiques le meilleur terrain pour vraiment tester leur système de lentilles, pour régler le faisceau, et de voir l'impact de leur réglage directement sur la qualité de la mesure de diffraction.

« Nous avons initialement cherché à améliorer la diffraction des électrons pour les études scientifiques des matériaux, mais nous avons également constaté que cette technique peut nous aider à caractériser notre faisceau d'électrons. En réalité, la diffraction est très sensible aux paramètres du faisceau d'électrons, afin que nous puissions utiliser le diagramme de diffraction d'un échantillon connu pour mesurer nos paramètres de faisceau avec précision et directement, ce qui n'est généralement pas si facile, " dit Yang.

L'équipe a l'intention de poursuivre les améliorations, et ils ont déjà des plans pour développer une autre configuration pour la microscopie électronique ultra-rapide pour visualiser directement un échantillon biologique.

"Nous espérons réaliser à un moment donné une imagerie par faisceau d'électrons monocoup ultrarapide et peut-être même réaliser des films moléculaires, ce qui n'est pas possible avec notre configuration actuelle d'imagerie par faisceau d'électrons, " dit Yang.