Des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) et leurs collaborateurs ont mis au point un moyen de moderniser le microscope électronique à transmission, un cheval de bataille scientifique de longue date pour créer des images microscopiques nettes, afin qu'il puisse également créer des films de haute qualité de super -processus rapides à l'échelle atomique et moléculaire. Compatible avec les microscopes électroniques anciens et nouveaux, la modernisation promet de permettre de nouvelles informations sur tout, des machines microscopiques aux puces informatiques de nouvelle génération et aux tissus biologiques, en rendant cette capacité de réalisation de films plus largement accessible aux laboratoires du monde entier.

« Nous voulons être en mesure d'examiner les choses en science des matériaux qui se produisent très rapidement, " a déclaré June Lau, scientifique du NIST. Elle rapporte la première opération de validation de principe de cette conception modernisée avec ses collègues dans la revue Examen des instruments scientifiques . L'équipe a conçu la modernisation pour être un ajout rentable aux instruments existants. "Cela devrait représenter une fraction du coût d'un nouveau microscope électronique, " elle a dit.

Une invention de près de 100 ans, le microscope électronique reste un outil essentiel dans de nombreux laboratoires scientifiques. Une version populaire est connue sous le nom de microscope électronique à transmission (TEM), qui tire des électrons à travers un échantillon cible pour produire une image. Les versions modernes du microscope peuvent grossir les objets jusqu'à 50 millions de fois. Les microscopes électroniques ont aidé à déterminer la structure des virus, tester le fonctionnement des circuits informatiques, et révéler l'efficacité de nouveaux médicaments.

"Les microscopes électroniques peuvent regarder de très petites choses à l'échelle atomique, " Lau a dit. "Ils sont géniaux. Mais historiquement, ils regardent les choses qui sont fixées dans le temps. Ils ne sont pas doués pour voir les cibles en mouvement, " elle a dit.

Au cours des 15 dernières années, les microscopes électroniques assistés par laser ont rendu les vidéos possibles, mais de tels systèmes ont été complexes et coûteux. Bien que ces configurations puissent capturer des événements qui durent de la nanoseconde (milliardième de seconde) à la femtoseconde (quadrillionième de seconde), un laboratoire doit souvent acheter un microscope plus récent pour accueillir cette capacité ainsi qu'un laser spécialisé, avec un investissement total qui peut atteindre des millions de dollars. Un laboratoire a également besoin d'une expertise interne en physique laser pour aider à mettre en place et à exploiter un tel système.

"Franchement, tout le monde n'a pas cette capacité, " dit Lau.

En revanche, la mise à niveau permet aux TEM de tout âge de réaliser des films de haute qualité à l'échelle de la picoseconde (billions de seconde) en utilisant un « hacheur de faisceau » relativement simple. En principe, le hacheur de faisceau peut être utilisé dans le TEM de n'importe quel fabricant. Pour l'installer, Les chercheurs du NIST ouvrent la colonne du microscope directement sous la source d'électrons, insérez le hacheur de faisceau et refermez le microscope. Lau et ses collègues ont modernisé avec succès trois TEM de capacités et de millésimes différents.

Comme un stroboscope, ce hacheur de faisceau libère des impulsions d'électrons synchronisées avec précision qui peuvent capturer des trames de processus répétitifs ou cycliques importants.

"Imaginez une grande roue, qui se déplace de manière cyclique et répétable, " Lau a dit. " Si nous l'enregistrons avec une caméra à sténopé, cela semblera flou. Mais nous voulons voir des voitures individuelles. Je peux mettre un obturateur devant la caméra sténopé pour que la vitesse d'obturation corresponde au mouvement de la roue. Nous pouvons chronométrer l'ouverture de l'obturateur chaque fois qu'une voiture désignée monte au sommet. De cette façon, je peux faire une pile d'images qui montre chaque voiture au sommet de la grande roue, " elle a dit.

Comme l'obturateur de lumière, le hacheur de faisceau interrompt un faisceau d'électrons continu. Mais contrairement à l'obturateur, qui a une ouverture qui s'ouvre et se ferme, cette ouverture de faisceau reste ouverte tout le temps, éliminant le besoin d'une pièce mécanique complexe.

Au lieu, le hacheur de faisceau génère une onde électromagnétique radiofréquence (RF) dans la direction du faisceau d'électrons. L'onde fait que les électrons qui voyagent se comportent "comme des bouchons qui se balancent de haut en bas à la surface d'une vague d'eau, " dit Lau.

Surfant sur cette vague, les électrons suivent un chemin ondulant lorsqu'ils s'approchent de l'ouverture. La plupart des électrons sont bloqués, à l'exception de ceux qui sont parfaitement alignés avec l'ouverture. La fréquence de l'onde RF est accordable, de sorte que les électrons frappent l'échantillon entre 40 millions et 12 milliards de fois par seconde. Par conséquent, les chercheurs peuvent capturer des processus importants dans l'échantillon à des intervalles de temps d'environ une nanoseconde à 10 picosecondes.

De cette façon, le microscope modernisé par le NIST peut capturer des détails à l'échelle atomique des mouvements de va-et-vient dans de minuscules machines telles que les systèmes microélectromécaniques (MEMS) et les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS). Il peut potentiellement étudier les signaux qui se répètent régulièrement dans les antennes utilisées pour les communications à grande vitesse et sonder le mouvement des courants électriques dans les processeurs informatiques de la prochaine génération.

Dans une démo, les chercheurs voulaient prouver qu'un microscope modernisé fonctionnait comme avant la modernisation. Ils ont imagé des nanoparticules d'or à la fois en mode "continu" traditionnel et en mode faisceau pulsé. Les images en mode pulsé avaient une clarté et une résolution comparables aux images fixes.

"Nous l'avons conçu pour qu'il soit le même, " dit Lau.

Le hacheur de faisceau peut également faire double emploi, pomper de l'énergie RF dans l'échantillon de matériau, puis prendre des photos des résultats. Les chercheurs ont démontré cette capacité en injectant des micro-ondes (une forme d'onde radio) dans un métal, dispositif MEMS en forme de peigne. Les micro-ondes créent des champs électriques dans le dispositif MEMS et font dévier les impulsions entrantes des électrons. Ces déflexions d'électrons permettent aux chercheurs de construire des films des micro-ondes se propageant à travers le peigne MEMS.

Lau et ses collègues espèrent que leur invention pourra bientôt faire de nouvelles découvertes scientifiques. Par exemple, il pourrait étudier le comportement des champs magnétiques changeant rapidement dans les dispositifs de mémoire à l'échelle moléculaire qui promettent de stocker plus d'informations qu'auparavant.

Les chercheurs ont passé six ans à inventer et développer leur hacheur de faisceau et ont reçu plusieurs brevets et un prix R&D 100 pour leurs travaux. Les co-auteurs de l'ouvrage comprenaient le Brookhaven National Laboratory à Upton, New York, et Euclid Techlabs à Bolingbrook, Illinois.

L'une des choses qui rend Lau la plus fière est que leur conception peut insuffler une nouvelle vie à n'importe quel TEM, y compris l'unité de 25 ans qui a effectué la dernière démonstration. La conception du NIST donne aux laboratoires du monde entier la possibilité d'utiliser leurs microscopes pour capturer d'importants processus rapides dans les matériaux de demain.

"La démocratisation de la science était toute la motivation, " dit Lau.