Le potentiel d’une forme ultrarapide de microscopie électronique à transmission pour mesurer les ondes sonores dans les nanostructures a été démontré par trois physiciens de RIKEN. Cela pourrait aider à mettre au point une méthode d'imagerie à haute résolution utilisant des ondes sonores ultra-haute fréquence pour imager des structures de taille nanométrique.
L'échographie est couramment utilisée dans les cliniques et les hôpitaux pour imager les organes internes et les bébés dans l'utérus. Les ondes sonores utilisées ont généralement une longueur d'onde de quelques millimètres et peuvent donc imager des structures jusqu'à ce niveau.
Bien qu'une telle résolution soit adaptée à l'imagerie médicale, les physiciens aimeraient utiliser les ondes sonores pour imager des structures dans des matériaux de quelques nanomètres.
"Si nous pouvons utiliser des ondes sonores d'une longueur d'onde d'environ 100 nanomètres, nous pouvons les utiliser pour inspecter des matériaux, par exemple pour détecter des défauts", explique Asuka Nakamura du Centre RIKEN pour la science des matières émergentes (CEMS). "Mais la sensibilité aux petits défauts dépend vraiment de la longueur d'onde."
Cela nécessite de générer et de détecter des ondes sonores ayant des longueurs d’onde beaucoup plus petites (et donc des fréquences plus élevées). La création de telles ondes sonores à haute fréquence est relativement simple :des impulsions laser ultracourtes sont utilisées depuis plusieurs décennies pour les générer dans les métaux et les semi-conducteurs. Mais leur détection est beaucoup plus difficile car elle nécessite de développer des détecteurs capables d'atteindre une résolution de l'ordre du nanomètre dans l'espace et de la picoseconde dans le temps.
Aujourd'hui, Nakamura, ainsi que ses collègues du CEM, Takahiro Shimojima et Kyoko Ishizaka, ont démontré le potentiel d'un type spécial de microscope électronique pour imager de telles ondes sonores ultra-hautes fréquences. La recherche est publiée dans la revue Nano Letters .
Plus précisément, ils ont utilisé un microscope électronique à transmission ultrarapide (UTEM) pour détecter les ondes sonores générées par un trou de 200 nanomètres au centre d’une plaque de silicium ultra-mince. Un UTEM utilise deux faisceaux laser avec un léger retard entre eux (voir figure ci-dessus). Un faisceau illumine l’échantillon, tandis que l’autre génère une impulsion ultra-courte d’électrons dans le microscope. Cette configuration permet de résoudre des délais très courts.
Lorsque le trio a simulé théoriquement les vagues et comparé les simulations avec des images obtenues expérimentalement, ils ont trouvé un bon accord.
La qualité des images a dépassé les attentes de l'équipe, leur permettant d'effectuer une analyse par transformée de Fourier, une technique d'analyse mathématique couramment utilisée, sur les images. "Avant de réaliser ces expériences, nous n'avions pas l'intention de caractériser les ondes sonores", explique Nakamura. "Mais après avoir pris les données, nous avons remarqué qu'elles étaient très belles et que nous pouvions appliquer la transformation de Fourier. Cela m'a surpris."
Les chercheurs ont maintenant l'intention d'étudier la dynamique structurelle et magnétique ultrarapide des solides induite par de telles ondes sonores nanométriques à l'aide d'UTEM.
Plus d'informations : Asuka Nakamura et al, Caractérisation d'une onde acoustique gigahertz submicrométrique induite optiquement dans une plaque mince de silicium, Nano Letters (2023). DOI :10.1021/acs.nanolett.2c03938
Informations sur le journal : Lettres nano
Fourni par RIKEN
