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Un microscope à neutrons inspiré par l'astronomie X

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Des faisceaux de neutrons sont utilisés depuis longtemps pour faire de l'imagerie neutronique. La réalisation de l'équivalent d'un microscope avec des neutrons laissait cependant à désirer. Un groupe de scientifiques états-uniens, inspiré par les télescopes à rayons X, a réussi à faire fonctionner un tel microscope. Biologistes, chimistes et physiciens vont donc disposer d'un nouvel outil pour pénétrer les secrets des matériaux.

On voit sur cette image en haut à droite un cube métallique. Il contient le microscope à neutrons des chercheurs du MIT, alors qu'il était en test avec des faisceaux de neutrons du réacteur nucléaire de la célèbre université américaine. © Boris Khaykovich, MIT

En 1932, le physicien anglais James Chadwick (1891-1974) était occupé à bombarder du béryllium par des particules alpha. Bizarrement, le béryllium semblait alors se comporter comme une source secondaire d'un rayonnement inconnu, capable d'éjecter les protons des noyaux de plusieurs matériaux. Chadwick venait de découvrir le neutron, un des constituants des noyaux, dont l'existence avait été soupçonnée dès 1920 par Rutherford.

Quand il reçut le prix Nobel de physique en 1935 pour sa découverte, Chadwick était sans doute loin de se douter des conséquences que son travail allait rapidement avoir sur l'histoire de l'humanité. L'émission de neutrons est en effet à la base des réactions en chaîne que Fermi allait utiliser pour faire fonctionner la première pile atomique en 1942, et bien sûr à l'origine des armes nucléaires.

Des piles atomiques à l'imagerie neutronique

D'autres applications, plus pacifiques celles-là, virent le jour après la seconde guerre mondiale. Bien que neutres, les neutrons possèdent un moment magnétique et l'on peut se servir de la diffusion de faisceaux de neutrons par un matériau pour sonder sa structure et étudier ses propriétés. C'est notamment ce que l'on a fait avec les supraconducteurs. De nos jours, la diffusion de neutrons thermiques, c'est-à-dire avec des énergies comparables à celles d'un gaz à température ordinaire, est largement utilisée en chimie, biologie et cristallographie. On se sert même des faisceaux de neutrons pour faire ce qu'on appelle de l'imagerie neutronique, notamment pour des pièces métalliques et en particulier quand elles sont en plomb, donc opaques aux rayons X.

Le prix Nobel de physique James Chadwick a vécu suffisamment longtemps pour voir les conséquences de sa découverte du neutron. Décédé en 1974, il aura donc assisté à la maîtrise de l'énergie nucléaire et à la montée en puissance de la technique de diffusion des neutrons. © Gonville and Caius College

Il est aisé de comprendre tout l'intérêt que l'on aurait à disposer d'un microscope à neutrons. Malheureusement, si les faisceaux de neutrons sont des outils de choix pour sonder en profondeur la matière sans la détruire, parce qu'ils sont neutres, on ne peut pas les manipuler avec des lentilles comme on le fait pour des photons ou des électrons. Un groupe de chercheurs du MIT vient pourtant de réaliser un microscope à neutrons performant, comme ils l'expliquent dans un article déposé sur arxiv.

Des miroirs de Wolter pour l'imagerie neutronique

Jusqu'à présent, on ne pouvait quasiment faire que des images sans agrandissement en utilisant un sténopé, la fameuse chambre noire que connaissait déjà Léonard de Vinci et avant lui Ibn al-Haytham (965-1039) un mathématicien, philosophe et physicien perse. Plus connu sous le nom d'Alhazen, on le considère comme l'un des pères de l'optique moderne.

On avait eu le même problème avec les rayons X pendant des décennies, et les chercheurs déploraient de ne pas disposer de télescopes ou de microscopes exploitant ces rayons. Mais en 1952, le physicien allemand Hans Wolter s'est rendu compte que l'on pouvait contourner l'obstacle en utilisant une série de miroirs en incidence rasante, qui équipent par exemple des télescopes aussi célèbres que Chandra et XMM Newton.

Les chercheurs du MIT ont pensé qu'ils pouvaient faire la même chose avec des faisceaux de neutrons, mais pour réaliser un microscope. Ils ont d'abord conçu le système sur ordinateur et ont réalisé un prototype qu'ils ont testé avec les faisceaux de neutrons produits par différentes sources, comme celle du réacteur nucléaire d'Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Les résultats obtenus ont été très encourageants. Les physiciens pensent qu'ils devraient atteindre des performances 50 fois plus élevées en imagerie neutronique avec leur instrument qu'avec ceux dont on dispose aujourd'hui.

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