Les physiciens du HZB ont développé un processus pour générer des lentilles améliorées pour la microscopie à rayons X qui offrent à la fois une meilleure résolution et un débit plus élevé. Pour y parvenir, ils fabriquent des optiques à rayons X tridimensionnelles pour la diffraction volumique qui se composent de plaques de zone de Fresnel empilées sur puce. Ces nanostructures tridimensionnelles focalisent les rayons X incidents beaucoup plus efficacement et permettent une résolution spatiale améliorée en dessous de dix nanomètres.

À l'avenir, ce type de nouvelle optique à rayons X devrait être disponible pour les utilisateurs de la source synchrotron BESSY II. Parmi de nombreuses applications, la résolution améliorée permet des études sur les caractéristiques ultrastructurales des spécimens biologiques ainsi que des études sur les nanostructures dans de nouveaux systèmes de batteries.

La longueur d'onde de la lumière limite la résolution en microscopie. La lumière visible peut résoudre des structures de l'ordre du quart de micron, tandis que la longueur d'onde considérablement plus courte des rayons X peut en principe résoudre des caractéristiques jusqu'à quelques nanomètres. En outre, Les rayons X peuvent également pénétrer plus profondément dans les échantillons, afin que les structures internes des spécimens tridimensionnels puissent être étudiées. Cependant, bien que la lumière dans la région visible puisse être focalisée à l'aide de lentilles réfractives en verre, cette approche ne fonctionne pas avec les rayons X mous. Afin d'utiliser les rayons X pour l'imagerie, il est nécessaire d'utiliser des plaques zonées de Fresnel, qui sont constitués d'anneaux concentriques composés de métaux comme le nickel ou l'or. Ces anneaux métalliques diffractent les rayons X de sorte que les contributions des différentes zones se superposent de manière constructive au point focal. Le résultat est que les plaques zonales de Fresnel agissent comme des lentilles d'objectif pour focaliser les rayons X et peuvent être utilisées dans les microscopes à rayons X. La résolution spatiale réalisable dépend de la plus petite largeur d'anneau pouvant être fabriquée, qui était jusqu'à présent d'une dizaine de nanomètres.

Une amélioration de la résolution spatiale en deçà de la dizaine de nanomètres pose à la fois des problèmes technologiques et physiques fondamentaux. D'un côté, il est technologiquement extrêmement difficile de fabriquer des structures de zones périodiques ayant une largeur d'anneau inférieure à dix nanomètres et une hauteur de quelques centaines de nanomètres. D'autre part, les calculs théoriques indiquent que ces types d'optiques avec une largeur d'anneau décroissante seraient de plus en plus inefficaces et collecteraient simplement trop peu de lumière. Ce dilemme peut être résolu à l'aide de la diffraction de volume. Cependant, l'approche nécessite des caractéristiques de zone qui ont simultanément un angle d'inclinaison croissant et une hauteur de zone décroissante par rapport au rayon, c'est-à-dire une optique à rayons X structurée en trois dimensions. "Théoriquement, bien que, près de 100 % de la lumière incidente pourrait être utilisée pour l'image, " explique le Dr Stephan Werner du groupe de recherche en microscopie du HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials.

Dans un premier pas vers l'optique à rayons X tridimensionnelle, les experts de HZB ont fabriqué trois couches de plaques de zone Fresnel presque parfaitement superposées. « Nous avons développé un procédé permettant d'empiler sur puce des plaques zonales de Fresnel avec une précision inférieure à deux nanomètres, " dit le Dr Gerd Schneider, qui dirige le groupe de recherche en microscopie. Les mesures initiales démontrent que cette structure capture considérablement plus de lumière pour l'imagerie que les plaques zonées de Fresnel conventionnelles. « Si nous réussissons à positionner cinq couches de plaques zonales les unes au-dessus des autres, qui est notre prochain objectif, nous serons en mesure d'utiliser une fraction plusieurs fois plus élevée de la lumière incidente des rayons X pour l'imagerie que ce qui était disponible jusqu'à présent, " dit Werner.

L'équipe HZB rend compte du développement de la nouvelle optique à rayons X dans la revue technique Nano-recherche . Les utilisateurs de BESSY II pourraient également bénéficier prochainement de cette avancée. La microscopie à rayons X est une technique importante pour un large éventail de sujets de recherche, par exemple dans les sciences de la vie pour étudier les organites cellulaires, virus, et des nanoparticules dans les cellules, ainsi que pour la science des matériaux et la recherche énergétique pour étudier de nouvelles approches de stockage d'énergie électrochimique in situ.