Les physiciens de l'Université du Vermont, Jeff Ulbrandt et Randy Headrick, ont découvert une nouvelle façon de mélanger les rayons X, ouvrant une nouvelle fenêtre sur les atomes en mouvement. En utilisant cette chambre à vide, ils ont créé des films minces comme ceux utilisés dans les panneaux solaires et les écrans LCD, tout en leur projetant des rayons X au Laboratoire national d'Argonne. Dans leurs gigaoctets de données, les scientifiques ont découvert une vue sans précédent du mouvement désordonné d'objets complexes à l'échelle nanométrique. Crédit :Joshua Brown, UVM
Les rayons X ont longtemps été utilisés pour prendre des photos d'objets minuscules, même des atomes isolés. Aujourd'hui, une équipe de scientifiques a découvert une nouvelle utilisation des rayons X à l'échelle atomique :les utiliser comme un pistolet radar pour mesurer le mouvement et la vitesse de groupes d'atomes complexes et désordonnés.
"C'est un peu comme un piège à vitesse de police - pour les défauts atomiques et nanométriques, " dit Randall Headrick, un professeur de physique à l'Université du Vermont qui a dirigé l'équipe de recherche. La nouvelle technique a été rapportée le 28 mars dans le journal Physique de la nature .
PETITS PORES
Les rayons X ont un grand pouvoir pour regarder à l'intérieur. Ce n'est pas seulement Superman; les scientifiques se sont rapprochés de ce qui pourrait sembler être de la science-fiction, formation de rayons X sur de minuscules objets, y compris les chaînes d'ADN, virus, et des atomes individuels. Mais alors qu'ils sondent la structure de choses toujours plus petites, la disposition aléatoire de ces objets rend de plus en plus difficile leur distinction. Un problème de longue date est que de bonnes images radiographiques nécessitent des cristaux presque parfaits, des objets identiques dans un ordre précis. A l'échelle des atomes, des objets complexes et désordonnés, comme les films minces utilisés pour fabriquer l'écran d'un téléphone portable ou les couches métalliques utilisées dans les circuits électroniques, donnent une image radiographique floue. "C'est comme mélanger de nombreux visages différents dans une image composite, " Headrick dit, "ou essayer de voir à quoi ressemble une voiture moyenne en regardant la circulation le long d'une autoroute."
Un faisceau de rayons X diffusant une fine couche de silicium forme ce motif de mouchetures qui correspond aux détails de la surface. Des scientifiques de l'Université du Vermont ont utilisé ce type d'images dans le cadre d'une découverte qui offre une nouvelle vision à l'échelle nanométrique. Crédit :Randall Headrick, UVM
Dans une nouvelle approche, Headrick et les autres scientifiques, avec le soutien du département américain de l'Énergie, imposer de l'ordre aux rayons X quand il n'y a pas d'ordre dans ce qu'ils regardent. Ils ont utilisé des rayons X cohérents (pensez aux rayons X voyageant dans une fanfare) pour récupérer une partie des informations de leur image. Un peu comme le radar détecte la vitesse d'un individu sur l'autoroute, ils ont repêché les vitesses distinctes de petits groupes d'atomes à partir du signal de rayons X en vrac qu'ils projetaient sur un flux d'atomes en mouvement. Et dans ce nouveau type d'image radiographique, ils ont découvert des vides et de minuscules pores qui se forment lors de la fabrication de deux types de films minces avec du silicium et du tungstène, et comment ces vides et pores se déplacent.
Leur découverte promet d'améliorer les techniques industrielles pour rendre plus lisses, des films minces plus parfaits, qui ont des milliers d'applications commerciales, des panneaux solaires aux systèmes d'administration de médicaments, puces informatiques aux sacs de croustilles.
Mais bien plus important, Notes de Headrick, la recherche ouvre une nouvelle façon de voir de nombreux types d'amas complexes d'atomes en mouvement, pas seulement des cristaux bien rangés.
"Nous pouvons voir ces défauts à l'échelle nanométrique se former dans le film pendant leur fabrication, " dit Headrick. Les scientifiques ont été surpris de pouvoir créer une vue non seulement de la rugosité de la surface du film, mais aussi la structure intérieure. Ceci est important car la qualité des films minces peut être fortement affectée par la relation dynamique entre la façon dont ils se développent à la surface - souvent pulvérisés ou déposés sous vide - et la structure des atomes se formant sous la surface.
"Nous constatons qu'il y a deux sortes de défauts, " note Headrick, "un type qui se déplace avec la surface et que l'on pense être des nanocolonnes qui se développent avec la surface et un autre type qui sont des vides qui ne se développent pas avec la surface."
COMME LA BIÈRE
Pour comprendre ces deux types de défauts, versez-vous un verre de bière et observez les bulles. Certains se déplacent en fines lignes à travers le liquide, remontant tandis que le haut de la bière monte également. D'autres bulles, piégé dans la tête mousseuse, sont collés en place tandis que plus de mousse s'empile sur eux.
Imaginez maintenant que ces bulles sont en fait des atomes uniques. Les lignes de bulles qui montent pendant que la bière est versée sont comme les nanocolonnes d'atomes que Headrick et l'équipe ont observées avec la nouvelle technique des rayons X. Les vides dans le film sont comme les bulles emprisonnées dans la mousse de bière.
L'auteur principal de l'article est l'étudiant diplômé de Headrick, Jeffrey Ulbrandt. Ensemble, ils ont collaboré avec des chercheurs de l'université de Boston, dont le physicien Karl Ludwig, et scientifiques du Laboratoire National d'Argonne, pour faire la découverte. À l'aide d'une grande machine appelée synchrotron à la source avancée de photons d'Argonne, ils ont pu diriger des ondes de rayons X hautement organisées sur les films. Imaginé avec ces rayons X cohérents, les objets désordonnés, comme la surface rugueuse et l'intérieur enchevêtré d'un film de silicium, peuvent être détectés dans un motif complexe de taches qui est fait sur le détecteur de rayons X. "Ce motif moucheté contient des informations détaillées sur les formes et les espacements de la collection d'objets, " explique Headrick.
RÉGLAGE DES RAYONS X
Ces rayons X cohérents peuvent également détecter le mouvement, suivi des groupes d'atomes agités et grouillants qui se déplacent indépendamment et de manière erratique. La nouvelle étude fait avancer cette prise de conscience. Les scientifiques ont pris une onde dispersée de rayons X rebondissant sur la surface rugueuse du film mince déposé dans une chambre à vide et l'ont mélangée avec une onde dispersée de rayons X provenant des défauts désordonnés - les nanocolonnes et les vides - se formant à et sous la surface du film.
Ces deux ondes mixtes fonctionnent un peu comme un pistolet radar. Les ondes de surface forment une référence de vitesse, tandis que les ondes souterraines forment un signal beaucoup plus petit mélangé à cette onde de référence. Les scientifiques ont examiné le motif moucheté des rayons X se diffusant sur la surface croissante des films minces, s'épaissit à un rythme connu. Ensuite, ils ont mesuré comment ce motif moucheté oscillait lors de l'interaction avec les rayons X rebondissant sur les défauts et l'intérieur. Ces oscillations ("comme un diapason vibrant, " Headrick dit) sont causées par des atomes allant à des vitesses différentes, ce qui a donné à l'équipe une mesure sensible des vitesses relatives des atomes en mouvement. Mais au lieu de 55 mph, la surface du film mince croît de quelques Angströms par seconde. Certains des défauts grandissent avec elle, tandis que d'autres restent dans la nanopoussière.
« Ceci est un nouvel effet aux rayons X, " Randy Headrick dit, "qui nous permet de sentir la matière désordonnée en mouvement - à l'échelle atomique."
