Reconstruction d’un échantillon de cristal d'orthoscandate de praséodyme agrandi 100 millions de fois. © Université de Cornell
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Comment les scientifiques ont obtenu l’image d'atomes à la plus haute résolution jamais observée

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Grâce à des algorithmes sophistiqués et à la ptychographie électronique, des chercheurs ont pu extraire une image incroyablement précise des atomes au sein d'un échantillon. Un record qui frôle les limites de ce qui est physiquement observable.

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[EN VIDÉO] Interview : quelle est l'origine des atomes ?  Les atomes sont présents tout autour de nous. Ces infimes fragments de matière forment les planètes, les objets, les êtres vivants, etc. Cependant, ils n’ont pas toujours existé sous cette forme. Futura-Sciences a interviewé Roland Lehoucq, astrophysicien, afin qu’il nous parle de la naissance des atomes au sein des étoiles. 

Cela pourrait ressembler à un amas d'étoiles. Cette image montre en fait un échantillon de cristal d'orthoscandate de praséodyme (PrScO3), agrandi 100 millions de fois. Une prouesse qui représente un doublement de la résolution précédemment obtenue par la même équipe et qui leur avait valu une inscription au Guinness Book des records en 2018. « Cela n'établit pas seulement un nouveau record. Nous avons atteint la limite ultime de résolution possible, se félicite David Muller, professeur d'ingénierie à l'université Cornell aux États-Unis et principal auteur de l'étude publiée dans ScienceNous sommes maintenant en mesure de localiser un atome dans une structure en 3 dimensions avec une précision inférieure au nanomètre»

Un peu comme un jeu du ballon prisonnier dans le noir

Pour arriver à une telle résolution, David Muller et son équipe ont utilisé une technique appelée ptychographie électronique. Cette dernière consiste à bombarder un échantillon avec un faisceau d'électrons qui se déplace très lentement. Les électrons « rebondissent » alors à la surface lorsqu'ils rencontrent un atome, et produisent un schéma de diffraction qui est ensuite analysé par un algorithme pour produire une image. « C'est un peu comme un jeu du ballon prisonnier dans le noir, illustre David Muller, sur le site du Scientific AmericanVous ne "voyez" pas la cible, mais en regardant où finit le ballon [les électrons], on peut en déduire son trajet. »

Le principe de la ptychographie électronique : l’échantillon est bombardé par un faisceau d’électrons (A). On obtient différents schémas de diffraction, qui, en les combinant, donnent une image de la position des atomes dans l’échantillon. © Zhen Chen et al., Science, 2021

Des énormes capacités de calcul pour déchiffrer l’image

Cette approche présente plusieurs avantages par rapport à un microscope électronique classique : ce dernier doit augmenter l'énergie de son faisceau d'électrons pour améliorer sa résolution, de telle sorte qu'au-delà d'un certain seuil, l'échantillon risque d'être endommagé. Mais jusqu'ici, la ptychographie électronique ne fonctionnait qu'avec des échantillons de quelques atomes d’épaisseur, car la dispersion des électrons dans des échantillons plus épais produisait des motifs bien trop complexes à décrypter. Mais grâce aux progrès de l’intelligence artificielle et des énormes capacités de calcul des superordinateurs, les chercheurs sont parvenus à développer un algorithme encore plus sophistiqué. « Avec ces nouveaux algorithmes, nous sommes maintenant en mesure de corriger tout le flou de l'image, au point que le seul flou restant est celui lié à la vibration naturelle des atomes [inévitable pour tout atome au-dessus du zéro absolu] », explique David Muller.

Batteries, biologie et ordinateur quantique

Le record pourrait peut-être être surpassé en utilisant un matériau composé d'atomes plus lourds, qui oscillent moins, ou en refroidissant l'échantillon. Mais l'amélioration ne sera pas significative, estiment les chercheurs. Au-delà de l'exploit technique, cette étude ouvre la voie à tout un tas d'applications concrètes, par exemple dans le domaine des batteries. « Comment pouvons-nous structurer la batterie de manière à ce qu'elle stocke plus d’énergie et de façon plus sûre ? », suggère par exemple Roger Falcone, physicien à l'Université de Californie à Berkeley [qui n'a pas participé à la recherche]. La ptychographie électronique pourrait aussi trouver des applications dans la biologie, les semi-conducteurs ou la mise au point de nouveaux matériaux quantiques.

Pour en savoir plus

La ptychographie électronique dévoile les relations entre atomes

Article de Quentin Maubuit publié le 26/04/2012

L'un des verrous limitant la résolution des microscopes électroniques à transmission vient de sauter grâce au développement de la ptychographie électronique. Il est maintenant possible d'observer la position des atomes les uns par rapport aux autres avec une précision inégalée à ce jour. Virginie Chamard, spécialiste française de la ptychographie en rayons X, explique ce curieux concept à Futura-Sciences.

L'invention des microscopes électroniques à transmission (TEM) ne date pas d'hier. Développés en 1933, les TEM ont été fabriqués en série par Siemens à partir de 1939. Cet outil d'observation utilise un faisceau d'électrons, focalisé par des lentilles électromagnétiques, traversant des échantillons en coupes suffisamment minces. La résolution maximale atteint environ 0,2 nanomètre (sans correction d'aberrations). Ce paramètre est malheureusement bridé par la qualité, toujours faible, des lentilles électromagnétiques formant l'image. Sans elles, il serait théoriquement possible d'atteindre un pouvoir de résolution équivalant la longueur d'onde des électrons, soit quelques picomètres (10-12 mètre).

Une équipe de chercheurs dirigée par John Rodenburg, de l'université de Sheffield (Royaume-Uni), est parvenue à s'affranchir de ce problème... en supprimant les lentilles, du moins après l'échantillon. Baptisée ptychographie électronique et décrite dans la revue Nature Communications en mars dernier, cette technique consiste à faire reconstruire par un ordinateur un cliché de qualité des échantillons en analysant la diffraction des électrons.

Il devient possible d'observer la position des atomes les uns par rapport aux autres, tant la résolution est importante ! Virginie Chamard, chercheuse à l'institut Fresnel et utilisatrice de la ptychographie en rayons X, nous en dit plus sur ce concept.

Dispositif expérimental utilisé lors de la ptychographie électronique. Les électrons sont focalisés sur l'échantillon par des lentilles électromagnétiques. Ensuite, contrairement à un microscope à transmission classique, il n'y a pas de lentille pour former une image. Les spots d’illumination sur les échantillons mesurent 20 à 40 nm de diamètre. © Adapté de Humphry et al. 2012, Nature Communications

La ptychographie électronique est une microscopie quantitative

« Rodenburg est l'inventeur du terme ptychographie. Il a développé un concept qu'il applique à toutes les longueurs d'onde et donc à toutes les techniques de microscopie. Il a démontré ses avantages numériquement, en optique, en rayons X et maintenant il le démontre en microscopie électronique » explique Virginie Chamard.

Concrètement, qu'est ce que la ptychographie électronique ?  « Des électrons sont envoyés sur une petite portion d'un échantillon et l'on photographie leurs motifs de diffraction [NDLR : la manière dont ils sont déviés, il n'y a donc pas besoin de lentille]. L'image enregistrée n'a rien à voir avec l'apparence de l'échantillon ; c'est la transformée de Fourier qui est mesurée (voir figure). » Cette opération est effectuée à de multiples reprises en déplaçant à chaque fois l'échantillon, en prenant soin de conserver un taux de recouvrement de 60 à 80 % entre deux images, jusqu'à ce que l'intégralité de la zone d'étude ait été couverte.

Les informations contenues dans les images d'intensité diffractée peuvent ensuite être extraites au moyen d'un algorithme d'inversion. « Nous utilisons une méthode numérique, grâce à un ordinateur, pour récupérer l'image de l'échantillon à partir de ces clichés d'intensité diffractée. Celle-ci est dite à grandeur complexe, en amplitude et en phase. Elle fournit de nombreuses informations d'ordre physique. C'est de la microscopie quantitative. » La microscopie classique est quant à elle qualifiée de qualitative. Les images obtenues doivent être interprétées par l'expérimentateur. Les valeurs calculées grâce à la ptychographie peuvent être associées avec précision, et en toute objectivité, à des structures particulières comme des éléments carbonés ou des composants cellulaires.

La ptychographie électronique exploite la diffraction des électrons pour reconstruire l'image d’un échantillon. Ce cliché d’intensité diffractée est loin de ressembler à l’échantillon. En revanche, un ordinateur pourra en reconstruire une image haute résolution en extrayant des informations de centaines de clichés de ce genre grâce à un algorithme inversé. Il faut environ 190 secondes pour prendre près de 900 photographies. La barre d’échelle vaut 1 nm. © Adapté de Humphry et al. 2012, Nature Communications

 

Résolution d’un dixième du diamètre d’un atome

La ptychographie électronique présente d'autres avantages. Sa résolution est cinq fois plus importante que celle d'un TEM classique avec lentilles. Pour citer un chiffre, elle vaut environ le dixième du diamètre d'un atome ! Le microscope a aussi besoin de moins d'énergie (30 keV, contre 100 auparavant), et peut donc être utilisé pour analyser des échantillons biologiques. Par ailleurs, les lentilles focalisant le faisceau d'électrons n'ont pas besoin d'être de bonne qualité. L'ordinateur peut en effet extraire des informations sur l'illumination à partir des clichés et en tenir compte dans ses calculs.

Cette approche souffre encore de quelques limites car les échantillons biologiques doivent toujours être préparés selon une méthode contraignante et surtout, elle ne permet pas de faire de l'imagerie en trois dimensions (contrairement à la ptychographie en rayons X).

Selon John Rodenburg, le développement de cette nouvelle technologie pourrait marquer le début d'une nouvelle ère pour la microscopie électronique subatomique en supprimant de nombreuses limites à l'expérimentation fondamentale.

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