Les physiciens de l'UC San Diego ont développé un nouveau type de microscope à rayons X qui peut pénétrer profondément dans des matériaux comme la légendaire vision aux rayons X de Superman et voir des détails infimes à l'échelle d'un seul nanomètre, ou un milliardième de mètre.

Mais ce n'est pas tout. Qu'y a-t-il d'inhabituel dans cette nouveauté, à l'échelle nanométrique, microscope à rayons X est que les images ne sont pas produites par une lentille, mais au moyen d'un puissant programme informatique.

Les scientifiques rapportent dans un article publié dans la première édition en ligne de cette semaine du Actes de l'Académie nationale des sciences que ce programme informatique, ou algorithme, est capable de convertir les diagrammes de diffraction produits par les rayons X rebondissant sur les structures à l'échelle nanométrique en images résolvables.

"Les mathématiques derrière cela sont quelque peu compliquées, " a déclaré Oleg Shpyrko, un professeur adjoint de physique à l'UC San Diego qui a dirigé l'équipe de recherche. « Mais ce que nous avons fait, c'est montrer que pour la première fois, nous pouvons imager des domaines magnétiques avec une précision nanométrique. En d'autres termes, nous pouvons voir la structure magnétique au niveau nanométrique sans utiliser de lentilles."

Une application immédiate de ce microscope à rayons X sans lentille est le développement de plus petits, périphériques de stockage de données pour les ordinateurs pouvant contenir plus de mémoire.

"Cela facilitera la recherche sur les disques durs où les bits de données magnétiques à la surface du disque ne mesurent actuellement que 15 nanomètres, " a déclaré Eric Fullerton, co-auteur de l'article et directeur du Center for Magnetic Recording Research de l'UC San Diego. "Cette nouvelle capacité d'imager directement les bits sera inestimable alors que nous nous efforçons de stocker encore plus de données à l'avenir."

Le développement devrait également être immédiatement applicable à d'autres domaines de la nanoscience et de la nanotechnologie.

"Pour faire avancer les nanosciences et les nanotechnologies, nous devons être capables de comprendre le comportement des matériaux à l'échelle nanométrique, " a déclaré Shpyrko. "Nous voulons être en mesure de fabriquer des matériaux de manière contrôlée pour construire des dispositifs magnétiques pour le stockage de données ou, en biologie ou en chimie, pouvoir manipuler la matière à l'échelle nanométrique. Et pour ce faire, nous devons être capables de voir à l'échelle nanométrique. Cette technique vous permet de le faire. Il vous permet d'examiner les matériaux avec des rayons X et de voir les détails à l'échelle nanométrique."

"Parce qu'il n'y a pas d'objectif sur le chemin, placer un aimant encombrant autour de l'échantillon ou ajouter un équipement pour modifier l'environnement de l'échantillon d'une autre manière pendant la mesure est beaucoup plus facile avec cette méthode que si nous devions utiliser une lentille, " ajouta Shpyrko.

Ashish Tripathi, un étudiant diplômé du laboratoire de Shpyrko, développé l'algorithme qui a servi de lentille du microscope à rayons X. Ça a marché, en principe, un peu comme le programme informatique qui a affiné les images initialement floues du télescope spatial Hubble, qui a été causée par une aberration sphérique dans le miroir du télescope avant que le télescope ne soit réparé dans l'espace. Un concept similaire est utilisé par les astronomes travaillant dans des télescopes au sol qui utilisent l'optique adaptative, miroirs mobiles contrôlés par ordinateurs, pour éliminer les distorsions de leurs images causées par la lumière scintillante des étoiles se déplaçant dans l'atmosphère.

Mais la technique développée par Tripathi était entièrement nouvelle. "Il y avait beaucoup de simulation impliquée dans le développement; c'était beaucoup de travail, " dit Chpyrko.

Pour tester la capacité de leur microscope à pénétrer et à résoudre les détails à l'échelle nanométrique, les physiciens ont réalisé un film stratifié composé des éléments gadolinium et fer. De tels films sont maintenant à l'étude dans l'industrie des technologies de l'information pour développer une plus grande capacité, plus petite, et une mémoire d'ordinateur et des lecteurs de disque plus rapides.

"Les deux sont des matériaux magnétiques et si vous les combinez dans une structure, il s'avère qu'ils forment spontanément des domaines magnétiques à l'échelle nanométrique, " Shpyrko. " En fait, ils s'assemblent eux-mêmes en bandes magnétiques. "

Sous le microscope à rayons X, le film en couches de gadolinium et de fer ressemble à un dessert de baklava qui se plisse magnétiquement pour former une série de domaines magnétiques, qui apparaissent comme les tourbillons répétés des crêtes des empreintes digitales. Être capable de résoudre ces domaines à l'échelle nanométrique pour la première fois est extrêmement important pour les ingénieurs informaticiens qui cherchent à entasser plus de données dans des disques durs de plus en plus petits.

Comme les matériaux sont fabriqués avec des domaines magnétiques de plus en plus petits, ou des motifs d'empreintes digitales de plus en plus fins, plus de données peuvent être stockées dans un espace plus petit au sein d'un matériau. "La façon dont nous pouvons le faire est de réduire la taille des bits magnétiques, " a déclaré Shpyrko.

La technique devrait également trouver de nombreuses autres utilisations en dehors de l'ingénierie informatique.

"En réglant l'énergie des rayons X, nous pouvons également utiliser la technique pour examiner différents éléments dans les matériaux, ce qui est très important en chimie, " ajouta-t-il. " En biologie, il peut être utilisé pour imager les virus, cellules et différents types de tissus avec une résolution spatiale supérieure à la résolution disponible en utilisant la lumière visible. »

Les scientifiques ont utilisé la source avancée de photons, la source la plus brillante de rayons X cohérents de l'hémisphère occidental, au Argonne National Laboratory de l'Université de Chicago près de Chicago pour mener leur projet de recherche, qui a été financé par le département américain de l'Énergie. En plus de Tripathi, Shpyrko et Fullerton, professeur de génie électrique et informatique à l'UC San Diego, les autres co-auteurs de l'article incluent Jyoti Mohanty, étudiants diplômés en physique de l'UC San Diego, Sebastian Dietze et Erik Shipton ainsi que les physiciens Ian McNulty et SangSoo Kim au Laboratoire national d'Argonne.