Collecte de diagrammes de diffraction d'hélium dans des régions microscopiques d'échantillons

Représentation schématique de la diffraction de l'hélium à partir d'une surface LiF, où un motif de diffraction 2D peut être formé en faisant varier à la fois la rotation de l'échantillon et l'angle de détection sortant. Crédit :Matthew Bergin et Nick von Jeinsen.

Les progrès scientifiques récents ont ouvert de nouvelles possibilités pour l’observation rapprochée des phénomènes physiques. Des chercheurs de l'Université de Cambridge et de l'Université de Newcastle ont récemment introduit une nouvelle méthode pour mesurer la diffraction des atomes d'hélium avec une résolution spatiale microscopique.

Cette méthode, décrite dans un article dans Physical Review Letters , permet aux physiciens d'étudier les matériaux sensibles aux électrons et de mieux comprendre leur morphologie grâce à la microdiffraction de l'hélium.

"Le microscope à balayage à l'hélium a été développé par plusieurs groupes de recherche depuis plus d'une décennie, en mettant l'accent sur l'amélioration de la résolution de l'instrument et l'étude d'échantillons technologiques et biologiques", a déclaré Matthew Bergin, co-auteur de l'article, à Phys.org. "Cependant, relativement peu de travaux ont été réalisés sur l'utilisation de l'aspect onde de matière du faisceau d'hélium pour étudier des surfaces ordonnées avec un microscope à balayage à hélium."

L'étude récente de Bergin et de ses collègues s'appuie sur l'un de leurs articles précédents publié dans Scientific Reports. en 2020. Dans ces travaux précédents, les chercheurs ont observé la signature de diffraction d'un point microscopique sur un échantillon, mais ils n'ont pas pu mesurer directement son schéma de diffraction sous-jacent.

Dans leur nouveau document, ils ont décidé de poursuivre leurs travaux dans ce domaine. L'objectif sous-jacent de leur étude était de démontrer qu'une onde de matière basée sur un atome pouvait être utilisée pour former un diagramme de diffraction à partir de régions spatialement résolues d'une surface.

"En raison de la dualité particule-onde des atomes, un faisceau d'hélium dirigé vers un réseau peut se comporter comme une onde et diffracter la structure périodique", a déclaré Bergin. "Les atomes d'hélium à énergie thermique possèdent une énergie si faible (<100meV) que le diagramme de diffraction obtenu est garanti comme étant particulièrement sensible à la structure de la surface.

"La diffusion des atomes d'hélium est une technique bien établie qui utilise la position et l'intensité de ces pics de diffraction pour étudier la surface d'un échantillon. Cependant, jusqu'à présent, ces études ont été limitées à des cristaux homogènes d'au moins plusieurs millimètres."

Dans leurs expériences, Bergin et ses collègues ont utilisé un microscope à balayage à hélium qui utilise un sténopé pour collimater un faisceau d'hélium. Grâce à ce microscope et à une stratégie soigneusement conçue, ils ont pu collecter des diagrammes de diffraction à partir d'une petite région (~ 10 um) d'un échantillon, malgré l'utilisation d'un détecteur fixe.

"En calibrant soigneusement l'instrument, nous pouvons déplacer les étapes de positionnement et de rotation de l'échantillon pour faire varier l'angle de détection sortant et l'azimut de l'échantillon tout en éclairant le même point", a expliqué Bergin. "Le résultat est que nous pouvons construire un diagramme de diffraction exclusivement sensible à la surface à partir de la petite zone éclairée de l'échantillon."

Les travaux récents de cette équipe de recherche démontrent la faisabilité d'utiliser des atomes pour collecter un diagramme de diffraction à partir d'une région microscopique de la surface d'un échantillon. La méthode proposée pourrait être utilisée par d'autres physiciens pour étudier les modèles de diffraction et recueillir de nouvelles informations sur les matériaux qui ne peuvent pas être examinés avec précision à l'aide des techniques conventionnelles de diffusion atomique.

"Les capacités de résolution spatiale de l'instrument combinées à l'excellente sensibilité de surface nous permettent désormais d'utiliser la diffusion atomique pour mesurer les propriétés matérielles de petits échantillons présentant des caractéristiques de surface intéressantes, telles que des flocons de matériaux 2D", a ajouté Bergin.

"À l'Université de Cambridge, des travaux ont déjà commencé sur l'application de la technique pour mesurer la diffraction à partir d'éclats de matériaux 2D. Pendant ce temps, des collègues de l'Université de Newcastle développent un nouvel étage de mesure qui peut déplacer directement le détecteur pour collecter des diagrammes de diffraction sans aucune difficulté. étalonnage ou manipulation complexe de l'échantillon."

Plus d'informations : Nick A. von Jeinsen et al, Diffraction d'atomes d'hélium 2D à partir d'un point microscopique, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.236202

Informations sur le journal : Rapports scientifiques , Lettres d'examen physique