Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI ont réussi pour la première fois à regarder à l'intérieur des matériaux à l'aide de la méthode de spectroscopie à réseau transitoire avec des rayons X ultrarapides au SwissFEL. L'expérience au PSI est une étape importante dans l'observation des processus dans le monde des atomes. Les chercheurs publient aujourd'hui leurs résultats de recherche dans la revue Photonique de la nature .

Les structures sur les puces électroniques sont de plus en plus petites; les disques durs écrivent des encyclopédies entières sur des disques magnétiques de la taille d'un ongle. De nombreuses technologies dépassent actuellement les limites de la physique classique. Mais dans le nanomonde, d'autres lois s'appliquent, celles de la physique quantique. Et il reste encore de nombreuses questions sans réponse :Comment la chaleur se déplace-t-elle réellement à travers un matériau semi-conducteur à l'échelle nanométrique ? Que se passe-t-il exactement lorsque des bits individuels sont magnétisés dans un disque dur d'ordinateur, et à quelle vitesse pouvons-nous écrire? Il n'y a toujours pas de réponses à ces questions et à bien d'autres, principalement parce que les techniques expérimentales actuelles ne peuvent pas examiner assez profondément et précisément les matériaux et parce que certains processus se déroulent beaucoup trop rapidement pour les méthodes expérimentales conventionnelles. Mais si nous voulons aller de l'avant avec la miniaturisation technique, nous devons comprendre de tels phénomènes au niveau atomique

Le mélange des méthodes fait la différence

Un nouvel élan est désormais donné à la question grâce à une nouvelle méthode imaginée par le chercheur du PSI Cristian Svetina, avec Jeremy Rouxel et Majed Chergui à l'EPFL à Lausanne, Keith Nelson au MIT aux USA, Claudio Masciovecchio au Fermi FEL en Italie, et d'autres partenaires internationaux. "La méthode n'est en fait pas nouvelle, bien que, et il est utilisé depuis des décennies dans le régime optique avec des résultats exceptionnels, " dit Svetina, qui installe actuellement la nouvelle station expérimentale Furka sur la ligne de lumière SwissFEL Athos au PSI. Qu'est ce qui est special, il dit, est la combinaison et l'extension de méthodes connues de la physique des lasers non linéaires, mais en utilisant la lumière des rayons X du nouveau laser à rayons X à électrons libres SwissFEL. Cette combinaison est à la fois nouvelle et surprenante. Plusieurs tentatives ont été faites dans le passé par de nombreux groupes à travers le monde mais sans succès. On s'est même demandé si de telles expériences novatrices pouvaient être menées avec succès aux hautes énergies des rayons X. L'équipe de PSI a prouvé :Oui, ça peut être fait.

En son coeur, il s'agit d'une méthode appelée spectroscopie de réseau transitoire. La spectroscopie est un ensemble éprouvé de méthodes utilisées par les physiciens pour obtenir des informations sur un matériau, tels que les éléments chimiques et les composés qui le composent, ses propriétés magnétiques, et comment les atomes se déplacent en son sein. Dans la variante particulière appelée spectroscopie à réseau transitoire, l'échantillon est bombardé de deux faisceaux laser qui créent un motif d'interférence. Un troisième faisceau laser est diffracté sur ce motif, créer un quatrième faisceau qui contient les informations sur les propriétés de l'échantillon.

Regarder sous la surface

Le terme laser est toujours utilisé pour décrire la lumière dans la gamme visible ou infrarouge du spectre de longueur d'onde. Par conséquent, les lasers ne peuvent regarder à l'intérieur d'un échantillon qu'avec une résolution limitée à des centaines de nanomètres. Pour aller au-delà, Des radiographies sont nécessaires. Des chercheurs du PSI ont réussi pour la première fois à rendre la spectroscopie à réseau transitoire accessible à un laser à rayons X, utilisant des rayons X très durs d'une énergie de 7,1 kiloélectronvolts, ce qui correspond à une longueur d'onde de 0,17 nanomètre, ou environ le diamètre des atomes de taille moyenne. L'avantage :pour la première fois, il est possible de regarder à l'intérieur des matériaux avec une résolution jusqu'aux atomes individuels ainsi qu'avec des temps d'exposition ultracourts de fractions de femtosecondes (un millionième de milliardième de seconde), qui permet même d'enregistrer des vidéos de processus atomiques. En outre, la méthode est sélective d'éléments, ce qui signifie que l'on peut mesurer sélectivement des éléments chimiques spécifiques dans un mélange de substances. La méthode complète des techniques bien établies telles que la diffusion inélastique des neutrons et des rayons X, ajoutant une meilleure résolution en termes de temps et d'énergie.

En pratique, le montage expérimental ressemble à ceci :SwissFEL envoie un faisceau d'un diamètre de 0,2 millimètre, constitué d'impulsions de rayons X ultracourtes, sur un réseau de phase de transmission en diamant, qui ressemble à un peigne fin au microscope. Le diamant est utilisé car il n'est pas détruit même par les rayons X à haute énergie. Elle a été réalisée spécialement pour cette expérience par Christian David du Laboratoire de Micro et Nanotechnologie du PSI. L'espacement entre les dents du peigne est de deux micromètres, mais cela peut descendre à des nanomètres si nécessaire. Ils brisent le faisceau de rayons X en fins faisceaux partiels qui se chevauchent derrière la grille, créant ainsi le motif de diffraction du réseau transitoire. Derrière la grille, des images individuelles du réseau peuvent être observées, répétés à intervalles réguliers, appelés plans Talbot. Si vous placez un échantillon dans l'un de ces plans, certains atomes à l'intérieur s'excitent, tout comme s'il était assis à l'emplacement de la grille. Seuls les atomes qui "voient" les rayons X dans cette modulation périodique sont excités, tandis que les voisins qui ne subissent pas l'irradiation restent dans l'état fondamental. C'est le principal attrait de la méthode, car il permet aux chercheurs d'exciter sélectivement des domaines d'intérêt caractéristiques.

Appareil photo avec flash

Excitation des atomes seuls, cependant, ne fournit aucune information. Pour ça, une sorte d'appareil photo avec un flash est nécessaire pour exposer brièvement l'échantillon. En spectroscopie à réseau transitoire, ceci est fait par un laser qui cible l'échantillon sous un angle et tire des images avec un délai minimal sur le faisceau de rayons X du SwissFEL. L'information sort de l'arrière de l'échantillon et atteint un détecteur qui enregistre l'image. Les premières expériences ont montré un avantage de la méthode :elle ne produit aucun signal de fond indésirable. « Si les atomes sont excités, vous voyez un signal; s'ils ne sont pas excités, tu ne vois rien, " explique Svetina. Ceci est extrêmement utile lors de la mesure d'échantillons qui n'émettent que des signaux faibles et qui ne peuvent pas être vus avec d'autres techniques où un arrière-plan obscurcit le signal.

Le fait que Cristian Svetina et son équipe aient réussi à faire ce que les autres chercheurs n'ont pas fait est dû à la créativité et à la patience des protagonistes. "Nous avons procédé pas à pas et n'avons pas voulu tout essayer d'un coup, " dit le physicien. Il y a cinq ans, les chercheurs ont commencé à expérimenter au FERMI FEL avec la lumière optique et l'ont étendu à la lumière ultraviolette extrême avant de passer aux rayons X au PSI. Ici, au lieu d'examiner tout de suite des échantillons "réels", ils ont utilisé des feuilles d'or pour tester si l'énergie était suffisante pour exciter les atomes. Ils ont réussi à graver le motif en treillis d'un avion Talbot dans la feuille. Svetina : «                                                                                                                                                                                                               , nous pouvons exciter des atomes avec une intensité plus faible. " Avec cela, la voie était libre pour l'expérience maintenant réussie. En utilisant un échantillon de germanate de bismuth, les chercheurs ont pu montrer que la méthode répondait à tous leurs espoirs en termes de résolution spatiale et temporelle, vitesse de mesure, et la sélectivité des éléments.

Prochain objectif :tout avec des rayons X

Cependant, les chercheurs n'ont pas encore franchi le pas final. Jusque là, seul le faisceau qui excite l'échantillon est un faisceau de rayons X. Le flash de l'appareil photo provient toujours d'un laser, c'est donc de la lumière visible. Le summum serait atteint s'il s'agissait également d'un faisceau de rayons X. Svetina :"Nous voulons franchir cette dernière étape dans le courant de l'année." Et ils ont un soutien supplémentaire :le LCLS du SLAC et le PULSE Institute, tous deux à Stanford en Californie, le centre RIKEN SPring-8 au Japon, et FLASH de DESY en Allemagne ont rejoint l'équipe de collaboration.

Les chercheurs publient aujourd'hui leurs résultats dans la revue Photonique de la nature .