Chercheurs de la Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), l'Institut Paul Scherrer en Suisse et d'autres institutions à Paris, Hambourg et Bâle, ont réussi à établir un nouveau record en microscopie à rayons X. Avec des lentilles diffractives améliorées et un positionnement d'échantillon plus précis, ils ont pu atteindre une résolution spatiale à l'échelle nanométrique à un chiffre. Cette nouvelle dimension de l'imagerie directe pourrait donner des impulsions importantes à la recherche sur les nanostructures et faire avancer le développement des cellules solaires et de nouveaux types de stockage de données magnétiques. Les résultats ont maintenant été publiés dans la célèbre revue Optique avec le titre "Microscopie à rayons X doux avec une résolution de 7 nm."

Microscopie à rayons X doux, qui utilise des rayons X à basse énergie est utilisé pour étudier les propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique. Cette technologie peut être utilisée pour déterminer la structure des films organiques qui jouent un rôle important dans le développement des cellules solaires et des batteries. Elle permet également d'observer des processus chimiques ou des réactions catalytiques de particules. La méthode permet l'étude de ce qu'on appelle la dynamique de spin. Les électrons peuvent non seulement transporter la charge électrique, mais aussi avoir un sens de rotation interne, qui pourrait être utilisé pour de nouveaux types de stockage de données magnétiques.

Pour améliorer la recherche sur ces processus à l'avenir, les chercheurs doivent pouvoir « zoomer » sur l'échelle nanométrique à un chiffre. Ceci est théoriquement possible avec les rayons X mous, mais jusqu'à présent, il n'a été possible d'atteindre une résolution spatiale inférieure à 10 nanomètres qu'en utilisant des méthodes d'imagerie indirecte qui nécessitent une reconstruction ultérieure. "Pour les processus dynamiques tels que les réactions chimiques ou l'interaction de particules magnétiques, nous devons pouvoir visualiser les structures directement, " explique le professeur Rainer Fink de la chaire de chimie physique II de la FAU. " La microscopie à rayons X est particulièrement adaptée à cela car elle peut être utilisée de manière plus flexible dans des environnements magnétiques que la microscopie électronique, par exemple."

Mise au point et calibrage améliorés

En collaboration avec l'Institut Paul Scherrer et d'autres institutions à Paris, Hambourg, et Bâle, les chercheurs ont maintenant battu un nouveau record en microscopie à rayons X car ils ont réussi à atteindre une résolution record de 7 nanomètres dans plusieurs expériences différentes. Ce succès ne repose pas principalement sur des sources de rayons X plus puissantes, mais sur l'amélioration de la focalisation des rayons à l'aide de lentilles diffractives et d'un étalonnage plus précis des échantillons d'essai. "Nous avons optimisé la taille de la structure des plaques zonales de Fresnel qui sont utilisées pour focaliser les rayons X, " explique Rainer Fink. " De plus, nous avons pu positionner les échantillons dans l'appareil avec une précision beaucoup plus élevée et reproduire cette précision. » C'est précisément ce positionnement limité et la stabilité du système dans son ensemble qui ont empêché jusqu'à présent d'améliorer la résolution en imagerie directe.

Remarquablement, cette résolution record n'a pas seulement été atteinte avec des structures de test spécialement conçues, mais aussi dans les applications pratiques. Par exemple, les chercheurs ont étudié l'orientation du champ magnétique de particules de fer mesurant 5 à 20 nanomètres avec leur nouvelle optique. Le professeur Fink explique :« Nous supposons que nos résultats feront avancer la recherche sur les matériaux énergétiques et le nanomagnétisme en particulier. Les tailles de structure pertinentes dans ces domaines sont souvent inférieures aux limites de résolution actuelles.