Des couches empilées de graphène peuvent agir comme un miroir pour les faisceaux d'électrons. Les physiciens Daniël Geelen et ses collègues ont découvert cela en utilisant un nouveau type de microscope électronique. Dans un article de Physical Review Letters, ils décrivent leurs résultats, ce qui pourrait conduire au développement de l'optique pour les faisceaux d'électrons au lieu de la lumière.

Geelen et ses collègues ont surnommé la nouvelle technique "eV-TEM". C'est une nouvelle variante du microscope électronique, qui dirige des faisceaux d'électrons sur un échantillon afin de l'imager.

électrons de basse énergie

Selon la mécanique quantique, les électrons sont des ondes, tout comme la lumière visible, mais la longueur d'onde est beaucoup plus courte. À cause de ce, des détails beaucoup plus petits peuvent être imagés par rapport à un microscope optique. Cependant, l'assaut des électrons endommage généralement l'échantillon à long terme.

C'est l'une des raisons pour lesquelles Daniël Geelen, Johannes Jobst, Sense Jan van der Molen et Rudolf Tromp utilisent des électrons lents, transportant de faibles énergies de plusieurs électrons-volts (eV, d'où 'eV-TEM') au lieu des dizaines ou centaines de milliers d'électrons-volts habituels.

Électrons dans le graphène

Depuis 2010, le groupe gère un LEEM (microscope électronique à basse énergie) développé par Tromp chez IBM, qui image les électrons réfléchis. Geelen a amélioré l'appareil avec la possibilité d'imager les électrons qui traversent l'échantillon, la transmission." Cela transforme l'appareil dans un microscope électronique à transmission (eV-TEM).

Le premier matériau étudié est le graphène, la variété du carbone dans un appartement, motif moléculaire hexagonal bidimensionnel ressemblant à du grillage. Les chercheurs ont tiré des électrons lents sur un seul, double et triple couches de graphène, et imagé la transmission.

"Il y a eu beaucoup de recherches sur le comportement des électrons dans les couches de graphène, mais beaucoup moins dans la façon dont ils se déplacent à travers les couches, " dit Sense Jan van der Molen.

Tester la théorie

Un modèle théorique des années 70 prédit que les électrons lents peuvent facilement traverser des couches minces, car ils interagiront à peine avec les électrons au sein de ces couches. Puis, lorsque l'énergie et la vitesse des électrons sont augmentées, le nombre d'interactions devrait augmenter, ce qui entraînerait de moins en moins d'électrons traversant l'échantillon. Cette "courbe universelle" est censée tenir, quel que soit le matériau exact de l'échantillon.

Les physiciens de Leiden cependant, remarqué quelque chose de très différent. À des énergies d'électrons spécifiques, ils mesurent de fortes diminutions de la transmission, qui correspondent à des pics de réflexion. "Pour les électrons avec certaines énergies, le graphène agit comme un miroir, " dit Van der Molen.

Miroir graphène

Dans l'article, les chercheurs fournissent une explication :les électrons sont des ondes. A certaines longueurs d'onde, les ondes réfléchies par des couches de graphène séparées se renforceront mutuellement. Cette « interférence constructive » fait que l'empilement de couches de graphène agit comme un miroir pour les électrons.

Un effet similaire est visible dans la teinte verdâtre ou violacée d'un revêtement antireflet sur des lunettes ou des jumelles. Eux aussi sont constitués de couches, qui provoquent des interférences constructives pour la lumière verte ou violette.

La mise en miroir dépendante de la longueur d'onde prouve que les échantillons minces n'agissent pas de manière aussi prévisible et indépendante du matériau exact que prévu, dit Johannes Jobst. "Ces résultats dépendent fortement de la structure électronique du matériau, et sur l'énergie des électrons."

En outre, la recherche suggère la possibilité d'utiliser du graphène en couches comme miroirs pour les faisceaux d'électrons. "Il peut être possible de les utiliser comme séparateurs de faisceau, " dit Tromp.

Des couches minces moins prédictives

De tels diviseurs de faisceau, qui divise un seul faisceau entrant en deux faisceaux distincts, sont des appareils standards très utilisés en optique lumineuse, mais ils n'existent pas encore pour les faisceaux d'électrons. De fines couches de graphène pourraient peut-être combler cette lacune. Mais d'abord, les chercheurs aimeraient imager d'autres matériaux. Van der Molen :« Cela permet une recherche fondamentalement nouvelle, en matériaux stratifiés, et aussi en biomolécules sensibles qui seraient endommagées dans un microscope électronique ordinaire. »