Pour mieux comprendre le plus petit des mondes, les seuils de la microscopie doivent être encore élargis. Des scientifiques du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de la TU Dresden, en coopération avec la Freie Universität Berlin, ont réussi à combiner pour la première fois deux techniques de mesure établies :la microscopie optique en champ proche et la spectroscopie ultra-rapide. La technologie assistée par ordinateur développée spécialement à cet effet combine les avantages des deux méthodes et supprime les bruits indésirables. Cela permet de filmer avec une grande précision des processus dynamiques à l'échelle nanométrique. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue de recherche Rapports scientifiques .

De nombreux processus importants mais complexes dans les sciences naturelles et de la vie, par exemple, la photosynthèse ou la supraconductivité à haute température, doivent encore être compris. D'un côté, ceci est dû au fait que de tels processus se déroulent à l'échelle du millionième de millimètre (nanomètre) et ne peuvent donc pas être observés par l'imagerie microscopique optique classique. D'autre part, les chercheurs doivent être capables d'observer avec précision des changements très rapides dans des étapes individuelles pour mieux comprendre la dynamique très complexe. Le développement de technologies temporelles et spatiales à haute résolution est donc favorisé depuis des décennies.

La nouvelle caméra de Dresde combine les avantages de deux mondes :la microscopie et la spectroscopie ultra-rapide. Il permet des mesures optiques inchangées de très petites, changements dynamiques dans la biologie, processus chimiques ou physiques. L'instrument est de taille compacte et peut être utilisé pour des études spectroscopiques dans une large zone du spectre électromagnétique. Des incréments de temps de quelques quadrillions de seconde (femtosecondes) jusqu'à la seconde plage peuvent être sélectionnés pour des images individuelles. "Cela rend notre nanoscope adapté à la visualisation de processus physiques ultra-rapides ainsi qu'aux processus biologiques, qui sont souvent très lents, " dit le Dr Michael Gensch du HZDR.

La combinaison de deux méthodes garantit une haute résolution spatiale et temporelle

Le nanoscope est basé sur le développement ultérieur de la microscopie en champ proche, dans lequel la lumière laser est irradiée sur une pointe métallique ultra-mince. Cela crée une lumière fortement groupée - cent fois plus petite que la longueur d'onde de la lumière, ce qui représente par ailleurs la limite des optiques "normales" avec lentilles et miroirs. "En principe, nous pouvons utiliser tout le spectre de longueur d'onde de la microscopie en champ proche, de l'ultraviolet au térahertz, " explique le Dr Susanne Kehr de la TU Dresden. " La lumière focalisée fournit de l'énergie à l'échantillon, créant une interaction spéciale entre le point et l'échantillon dans ce qu'on appelle le champ proche. En observant la partie rétrodiffusée de la lumière laser, on peut atteindre une résolution spatiale de l'ordre de la magnitude en champ proche, C'est, dans la gamme du nanomètre." Cette technologie, connu sous le nom de SNOM (Scanning Near-Field Optical Microscopy), n'est généralement utilisé que pour l'imagerie des conditions statiques.

L'utilisation de la spectroscopie ultra-rapide est l'outil crucial, d'autre part, permettant aux scientifiques d'étudier des processus dynamiques sur des échelles de temps courtes et avec une extrême sensibilité. La résolution spatiale a, jusqu'à maintenant, limitée à la gamme micrométrique cependant. Le principe de telles expériences pompe-sonde qui fonctionnent, par exemple, avec lumière, des impulsions de pression ou de champ électrique est la suivante :tandis qu'une première impulsion excite l'échantillon à étudier, une seconde impulsion surveille le changement dans l'échantillon. Si le temps entre eux est varié, les instantanés peuvent être pris à des moments différents, et un film peut être assemblé. Une correction intelligente des erreurs de mesure conduit à la haute sensibilité de la procédure spectroscopique. L'activation par une impulsion d'excitation signifie un type de perturbation pour l'ensemble du système d'échantillonnage, qui doit être filtré afin que le bruit ou "l'arrière-plan" soit éliminé. Ceci est réalisé en sondant l'échantillon non perturbé avec une seconde impulsion de référence directement avant l'excitation. Cette technologie particulière n'a pas pu être combinée avec la microscopie optique en champ proche jusqu'à présent. Pour la première fois, les équipes dirigées par les deux physiciens de Dresde ont réussi à combiner tous les avantages des deux méthodes dans leur nanoscope.

« Nous avons développé un logiciel avec une technologie de démodulation spéciale avec laquelle, en plus de la résolution exceptionnelle de la microscopie optique en champ proche qui est d'au moins trois ordres de grandeur supérieure à la résolution de la spectroscopie ultra-rapide courante, nous pouvons désormais également mesurer la dynamique changements dans l'échantillon avec une sensibilité élevée, " explique Kehr. La méthode électronique intelligente permet au nanoscope d'enregistrer uniquement les changements se produisant réellement dans les propriétés de l'échantillon en raison de l'excitation. Bien que d'autres groupes de recherche n'aient signalé que récemment une bonne résolution temporelle avec leurs nanoscopes, ils ne pouvaient pas, cependant, obtenir ce mode de correction important. Un avantage supplémentaire de la solution de Dresde est qu'elle peut être facilement intégrée dans les microscopes à champ proche existants.

Universel à tous égards

"Avec la couverture de longueur d'onde considérable de notre nanoscope, les processus dynamiques peuvent être étudiés avec les longueurs d'onde les mieux adaptées au processus spécifique à l'étude. Il s'agit d'une étape importante dans la compréhension de ces processus. Nos collègues de la Freie Universität Berlin ont, par exemple, le rêve ambitieux de suivre les changements structurels au cours du photocycle d'une protéine membranaire individuelle à des longueurs d'onde spécifiques dans le spectre infrarouge, " dit Gensch. Avec son collègue TU, Susanne Kehr, il a démontré la nouvelle méthode sur un système d'échantillon connu, une couche semi-conductrice en silicium et germanium. « Si nous avions utilisé un échantillon inconnu pour la démonstration, nous n'aurions pas été en mesure d'interpréter correctement la fonctionnalité de notre approche, ", insiste Kehr.

Le nanoscope de Dresde est universellement adaptable aux questions scientifiques respectives. Les longueurs d'onde des impulsions de la sonde peuvent, en principe, portée de la gamme basse térahertz à la gamme ultraviolette. L'échantillon peut être stimulé au laser, pression, champ électrique ou impulsions de champ magnétique. Le principe a été testé au HZDR sur un laser type de laboratoire ainsi que sur le laser à électrons libres FELBE. Premiers tests sur la nouvelle source térahertz TELBE, qui fournit des impulsions de champ électrique et magnétique extrêmement courtes pour l'excitation, sont en préparation. "À l'avenir, nous verrons non seulement à quelle vitesse un processus se produit, mais nous pouvons aussi mieux localiser où exactement cela se passe dans l'échantillon. Ceci est particulièrement important pour notre installation TELBE, qui sera opérationnel l'année prochaine, " explique Michael Gensch, chef du projet TELBE à la HZDR.