Les chercheurs du PSI observent pour la première fois le monde des atomes

Les structures sur les puces électroniques deviennent de plus en plus minuscules. Les disques durs enregistrent des encyclopédies entières sur des disques magnétiques de la taille d'un ongle. «Si l’on veut poursuivre la miniaturisation technique, il faut toutefois comprendre ces phénomènes à l’échelle atomique.», écrit le PSI dans son communiqué de presse.

Ce qui est particulier, c’est la combinaison et l’extension de méthodes connues de la physique des lasers, mais grâce aux rayons X du laser à rayons X à électrons libres SwissFEL. Dans cette combinaison, c’est à la fois nouveau et surprenant. Il s’agit pour l’essentiel d’un procédé appelé transient grating spectroscopy en anglais, que l’on pourrait traduire par spectroscopie de réseau transitoire. Sous le terme de spectroscopie, les physiciens rassemblent une palette éprouvée de méthodes, afin d’obtenir des informations sur un matériau, par exemple de quels éléments chimiques et liaisons il est composé, quelles propriétés magnétiques il possède ou comment les atomes s’y meuvent. Avec la transient grating spectroscopy, l’échantillon est bombardé par deux faisceaux laser qui produisent un motif d’interférence. Un troisième faisceau laser est diffracté sur ce motif, ce qui crée un quatrième faisceau qui contient les informations sur les caractéristiques de l’échantillon.

Regarder sous la surface
Les lasers ne permettent de regarder à l’intérieur d’un échantillon qu’avec une résolution limitée de quelques centaines de nanomètres. C’est pourquoi il est nécessaire d’avoir recours à des rayons X. Les chercheurs du PSI ont maintenant pour la première fois réussi à rendre la transient grating spectroscopy également accessible pour un laser à rayons X et cela avec des rayons X très durs ayant une énergie de 7,1 kilo-électronvolts, ce qui correspond à une longueur d’onde de 0,17 nanomètre, soit environ le diamètre d’un atome de taille moyenne. Il est ainsi possible, pour la première fois, de regarder à l’intérieur de matériaux avec une résolution atteignant l’échelle de l’atome, avec des temps d’exposition ultracourts de l’ordre de fractions de femtosecondes (un millionième de milliardième de seconde). Cela permet même de réaliser des vidéos de processus atomiques. La méthode est par ailleurs sélective, ce qui signifie que l’on peut mesurer de manière ciblée certains éléments chimiques dans un mélange de substances. La méthode complète des techniques comme la diffusion inélastique de rayons X et de neutrons pour une meilleure résolution en temps et en énergie.

Concrètement, l’installation d’essai est la suivante: SwissFEL envoie un faisceau d’un diamètre de 0,2 millimètre constitué d’impulsions de rayons X ultra-courtes sur une grille en diamant qui ressemble sous le microscope à un peigne fin. On utilise du diamant car celui-ci n’est pas détruit même par des rayons X riches en énergie. La grille a été fabriquée par Christian David du Laboratoire de micro- et nanotechnologie du PSI. Les dents du peigne ont un espace de deux micromètres entre elles. Elles découpent le faisceau de rayons X en de fins faisceaux qui se superposent derrière la grille, créant ainsi le motif de diffraction du transient grating. Derrière la grille, il est possible d’observer des images exactes de la grille qui se répètent à des distances régulières – que l’on appelle les plans Talbot. Si l’on place un échantillon sur un de ces plans, quelques-uns des atomes sont excités de la même manière que s’ils se trouvaient au même emplacement que la grille. Seuls les atomes qui «voient» les rayons X dans cette modulation périodique sont excités, alors que les atomes voisins qui ne sont pas soumis au rayonnement restent dans leur état initial. Les chercheurs peuvent ainsi exciter des secteurs caractéristiques de manière sélective.

Caméra avec flash
À elle seule, l’excitation des atomes ne fournit pas encore d’informations. Pour cela, il est nécessaire d’avoir recours à une sorte de caméra avec flash qui éclaire brièvement l’échantillon. Dans le cadre de la transient grating spectroscopy, cette mission est assumée par un laser qui vise l’échantillon de manière oblique et prend des images dans un délai minimal par rapport au faisceau de rayons X du SwissFEL à la station expérimentale Bernina. L’information vient de l’arrière de l’échantillon et arrive sur un détecteur qui enregistre l’image. Un des avantages de la méthode a été mis en évidence lors des toutes premières expériences: celle-ci ne produit pas de signal de fond indésirable. «Lorsque les atomes sont excités, on voit un signal, s’ils ne le sont pas, on ne voit rien», explique Cristian Svetina, qui met actuellement en place au PSI la station expérimentale Furka à la ligne de faisceaux Athos du SwissFEL. Cela est extrêmement précieux lors de mesures sur des échantillons qui n’émettent que de faibles signaux.

Prochain objectif: tout au moyen des rayons X

La prochaine étape doit toutefois encore être réalisée. Pour l’instant, seul le faisceau qui excite l’échantillon est un faisceau de rayons X. Le flash de la caméra est toujours issu d’un laser, c’est donc de la lumière visible. Le sommet serait atteint s’il s’agissait ici aussi d’un faisceau de rayons X. «Nous voulons franchir cette étape finale au cours de cette année», affirme Cristian Svetina. Pour cela, les chercheurs bénéficieront d’un soutien supplémentaire en provenance de l’Allemagne, du Japon et des États-Unis. Les chercheurs publient leurs résultats dans la revue spécialisée Nature Photonics.