En 2018, Les chercheurs de Cornell ont construit un détecteur de haute puissance qui, en combinaison avec un processus basé sur un algorithme appelé ptychographie, établi un record du monde en triplant la résolution d'un microscope électronique à la pointe de la technologie.

Aussi réussi soit-il, cette approche avait une faiblesse. Il ne fonctionnait qu'avec des échantillons ultrafins de quelques atomes d'épaisseur. Tout ce qui est plus épais provoquerait la dispersion des électrons d'une manière qui ne pourrait pas être démêlée.

Maintenant une équipe, à nouveau dirigé par David Muller, le professeur d'ingénierie Samuel B. Eckert, a battu son propre record d'un facteur deux avec un détecteur à matrice de pixels pour microscope électronique (EMPAD) qui intègre des algorithmes de reconstruction 3D encore plus sophistiqués.

La résolution est si fine, le seul flou qui reste est le tremblement thermique des atomes eux-mêmes.

Le papier du groupe, "La ptychographie électronique atteint les limites de résolution atomique fixées par les vibrations du réseau, " publié le 20 mai dans Science . L'auteur principal de l'article est le chercheur postdoctoral Zhen Chen.

"Ceci ne se contente pas d'établir un nouveau record, " Muller a déclaré. " Il a atteint un régime qui va effectivement être une limite ultime pour la résolution. Nous pouvons maintenant déterminer très facilement où se trouvent les atomes. Cela ouvre de nombreuses nouvelles possibilités de mesure de choses que nous voulions faire depuis très longtemps. Il résout également un problème de longue date :annuler la diffusion multiple du faisceau dans l'échantillon, ce que Hans Bethe a présenté en 1928, qui nous a empêché de le faire dans le passé."

La ptychographie fonctionne en balayant les motifs de diffusion qui se chevauchent à partir d'un échantillon de matériau et en recherchant des changements dans la région de chevauchement.

"Nous recherchons des motifs de taches qui ressemblent beaucoup à ces motifs de pointeur laser qui fascinent également les chats, " a déclaré Muller. " En voyant comment le modèle change, nous sommes capables de calculer la forme de l'objet qui a causé le motif."

Le détecteur est légèrement défocalisé, brouiller le faisceau, afin de capturer le plus large éventail de données possible. Ces données sont ensuite reconstruites via des algorithmes complexes, résultant en une image ultraprécise avec une précision picométrique (un billionième de mètre).

"Avec ces nouveaux algorithmes, nous sommes maintenant en mesure de corriger tout le flou de notre microscope au point que le plus grand facteur de flou qui nous reste est le fait que les atomes eux-mêmes vacillent, car c'est ce qui arrive aux atomes à température finie, " a déclaré Muller. "Quand on parle de température, ce que nous mesurons en fait, c'est la vitesse moyenne de la vibration des atomes."

Les chercheurs pourraient peut-être battre à nouveau leur record en utilisant un matériau composé d'atomes plus lourds, qui vacille moins, ou en refroidissant l'échantillon. Mais même à température nulle, les atomes ont encore des fluctuations quantiques, l'amélioration ne serait donc pas très importante.

Cette dernière forme de ptychographie électronique permettra aux scientifiques de localiser des atomes individuels dans les trois dimensions alors qu'ils pourraient autrement être cachés à l'aide d'autres méthodes d'imagerie. Les chercheurs pourront également trouver des atomes d'impuretés dans des configurations inhabituelles et les imager ainsi que leurs vibrations, un à la fois. Cela pourrait être particulièrement utile dans l'imagerie des semi-conducteurs, catalyseurs et matériaux quantiques, y compris ceux utilisés en informatique quantique, ainsi que pour analyser les atomes aux frontières où les matériaux sont joints.

La méthode d'imagerie pourrait également être appliquée à des cellules ou tissus biologiques épais, ou même les connexions synaptiques dans le cerveau, ce que Muller appelle « la connectomique à la demande ».

Bien que la méthode soit longue et exigeante en calcul, il pourrait être rendu plus efficace avec des ordinateurs plus puissants en conjonction avec l'apprentissage automatique et des détecteurs plus rapides.

"Nous voulons appliquer cela à tout ce que nous faisons, " dit Muller, qui co-dirige le Kavli Institute à Cornell pour la science à l'échelle nanométrique et copréside le groupe de travail sur la science à l'échelle nanométrique et l'ingénierie des microsystèmes (NEXT Nano), partie de l'initiative de collaboration radicale de Cornell. "Jusqu'à maintenant, nous avons tous porté de très mauvaises lunettes. Et maintenant, nous avons en fait une très bonne paire. Pourquoi ne voudriez-vous pas enlever les vieilles lunettes, mettre les nouveaux, et les utiliser tout le temps ?"