Résultats des calculs électroniques de trajectoire. Une lentille d'objectif électronique avec une aberration sphérique de 1 nanomètre a été corrigée à l'aide d'une lentille électronique à champ lumineux avec l'aberration sphérique négative. Le rayon du faisceau au foyer (z =0) a été réduit de 1 nm à l'échelle atomique de 0,3 nm. Crédit :Yuuki Uesugi et al.
La microscopie électronique permet aux chercheurs de visualiser de minuscules objets tels que des virus, les structures fines de dispositifs semi-conducteurs et même des atomes disposés sur une surface matérielle. La focalisation du faisceau d'électrons à la taille d'un atome est essentielle pour atteindre une résolution spatiale aussi élevée. Cependant, lorsque le faisceau d'électrons traverse une lentille électrostatique ou magnétique, les rayons d'électrons présentent des positions focales différentes selon l'angle de focalisation et le faisceau s'étale au foyer. La correction de cette "aberration sphérique" est coûteuse et complexe, ce qui signifie que seuls quelques scientifiques et entreprises sélectionnés possèdent des microscopes électroniques à résolution atomique.
Des chercheurs de l'Université de Tohoku ont proposé une nouvelle méthode pour former une lentille électronique qui utilise un champ lumineux au lieu des champs électrostatiques et magnétiques utilisés dans les lentilles électroniques conventionnelles. Une force pondéromotrice fait que les électrons se déplaçant dans le champ lumineux sont repoussés des régions de haute intensité optique. En utilisant ce phénomène, un faisceau lumineux en forme de beignet placé coaxialement avec un faisceau d'électrons devrait produire un effet de lentille sur le faisceau d'électrons.
Les recherches ont théoriquement évalué les caractéristiques de la lentille électronique à champ lumineux formée à l'aide d'un faisceau lumineux typique en forme de beignet, connu sous le nom de faisceau Bessel ou Laguerre-Gaussien. À partir de là, ils ont obtenu une formule simple pour la distance focale et les coefficients d'aberration sphérique qui leur ont permis de déterminer rapidement les paramètres de guidage nécessaires à la conception réelle de la lentille électronique.
Les formules ont démontré que la lentille électronique à champ lumineux génère une aberration sphérique "négative" qui s'oppose à l'aberration des lentilles électroniques électrostatiques et magnétiques. La combinaison de la lentille électronique conventionnelle avec une aberration sphérique "positive" et une lentille électronique à champ lumineux qui compense l'aberration a réduit la taille des faisceaux d'électrons à l'échelle atomique. Cela signifie que la lentille électronique à champ lumineux pourrait être utilisée comme correcteur d'aberration sphérique.
"La lentille électronique à champ lumineux présente des caractéristiques uniques que l'on ne retrouve pas dans les lentilles électroniques électrostatiques et magnétiques conventionnelles", déclare Yuuki Uesugi, professeur adjoint à l'Institut de recherche multidisciplinaire sur les matériaux avancés de l'Université de Tohoku et auteur principal de l'étude. "La réalisation d'un correcteur d'aberration basé sur la lumière réduira considérablement les coûts d'installation des microscopes électroniques à résolution atomique, conduisant à leur utilisation généralisée dans divers domaines scientifiques et industriels", ajoute Uesugi.
Leur étude est publiée dans Journal of Optics . Pour l'avenir, Uesugi et ses collègues explorent les moyens d'appliquer concrètement les microscopes électroniques de nouvelle génération à l'aide de la lentille électronique à champ lumineux. Visualisation de l'origine des forces magnétiques par microscopie électronique à résolution atomique
