Une nouvelle technique pour visualiser les structures électroniques en évolution rapide des matériaux à l'échelle atomique lorsqu'ils se tordent, dégringoler et parcourir le nanomonde prend forme au California Institute of Technology. Là, des chercheurs ont pour la première fois combiné avec succès deux méthodes existantes pour visualiser la dynamique structurelle d'un film mince de graphite.

Décrite cette semaine dans la revue Structural Dynamics, de l'AIP Publishing et de l'American Crystallographic Association, leur approche intégrait une technique d'analyse structurelle très spécifique connue sous le nom de « spectroscopie de perte de cœur » avec une autre approche connue sous le nom de microscopie électronique ultrarapide à quatre dimensions (4-D) - une technique mise au point par le laboratoire Caltech, qui est dirigé par le lauréat du prix Nobel Ahmed Zewail.

En spectroscopie de perte de cœur, les électrons de sonde à grande vitesse peuvent exciter sélectivement les électrons du noyau d'un atome spécifique dans un matériau (les électrons du noyau sont ceux qui sont le plus étroitement liés au noyau atomique). La quantité d'énergie que les électrons du noyau gagnent donne un aperçu de la structure électronique locale, mais la technique est limitée dans la résolution temporelle qu'elle peut atteindre—traditionnellement trop lente pour des réactions catalytiques rapides. La microscopie électronique 4-D révèle également la dynamique structurelle des matériaux au fil du temps en utilisant de courtes impulsions d'électrons à haute énergie pour sonder des échantillons, et il est conçu pour une résolution temporelle ultrarapide.

La combinaison de ces deux techniques a permis à l'équipe de suivre avec précision les changements locaux de la structure électronique au fil du temps avec une résolution temporelle ultrarapide.

"Dans ce travail, nous démontrons pour la première fois que nous pouvons sonder des électrons de noyau profond avec des énergies de liaison assez élevées dépassant 100 eV, " a déclaré Renske van der Veen, l'un des auteurs de la nouvelle étude. "Nous sommes équipés d'un outil de sondage ultrarapide qui permet d'investiguer, par exemple, les processus de relaxation dans les nanoparticules photocatalytiques, transitions de phase photo-induites dans des matériaux nanométriques ou dynamique de transfert de charge aux interfaces."

Combiner deux techniques sur un seul plan de travail

L'intégration des deux techniques s'est avérée difficile. Parce que les électrons se repoussent, il n'y a qu'un nombre limité d'électrons qui peuvent être regroupés en une seule impulsion. Lorsque vous raccourcissez chaque impulsion pour augmenter la résolution temporelle, chaque impulsion contient alors moins d'électrons, et le risque d'interaction entre les électrons de sonde et les électrons du noyau diminue. Particulièrement aux niveaux d'énergie élevés nécessaires pour exciter les électrons du noyau profond (1ère et 2ème couches d'électrons), "le signal de nombreux paquets d'électrons doit être intégré sur une longue durée, " a expliqué van der Veen.

Les chercheurs ont testé leur technique sur des couches minces de graphite, démontrant que l'excitation laser provoque l'expansion des liaisons carbone-carbone dans le plan dans la structure et la réduction de l'écart énergétique π-π* sur l'échelle de temps de la picoseconde (un trillionième de seconde).

La spectroscopie de perte de noyau est à certains égards similaire à la spectroscopie d'absorption des rayons X, mais il a quelques avantages critiques. "En utilisant les rayons X, l'étude de nano-objets individuels et l'imagerie in situ à l'échelle atomique des matériaux restent assez difficiles. A cet égard, la spectroscopie ultrarapide de perte de cœur en microscopie électronique offre un énorme avantage. Imagerie, la diffraction et la spectroscopie sont toutes combinées dans la même configuration de table ; des informations complémentaires sur le même échantillon peuvent être facilement obtenues, " a déclaré van der Veen.

La capacité de visualiser la dynamique ultrarapide d'atomes individuels a de larges applications dans toutes les disciplines scientifiques, de la science des matériaux à la biologie. Les chercheurs espèrent que les développements futurs des "sources d'électrons pulsés et méthodes de détection" permettront à leur technique d'être utilisée dans des expériences plus avancées.