Les faisceaux « Donut » aident les physiciens à voir des objets incroyablement petits

Dans une nouvelle étude publiée dans Optiquedes chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont utilisé des faisceaux de lumière en forme de beignet pour prendre des images détaillées d'objets trop petits pour être visualisés avec des microscopes traditionnels.

La nouvelle technique pourrait aider les scientifiques à améliorer le fonctionnement interne d’une gamme de « nanoélectroniques », notamment les semi-conducteurs miniatures des puces informatiques. La découverte a également été soulignée dans un numéro spécial d’Optics & Photonics News.

Cette recherche constitue la dernière avancée dans le domaine de la ptychographie, une technique difficile à prononcer (le « p » est muet) mais puissante pour visualiser de très petites choses. Contrairement aux microscopes traditionnels, les outils de ptychographie ne visualisent pas directement les petits objets. Au lieu de cela, ils dirigent des lasers vers une cible, puis mesurent la manière dont la lumière se disperse, un peu comme l'équivalent microscopique de la création d'ombres chinoises sur un mur.

Jusqu’à présent, l’approche a remarquablement bien fonctionné, à une exception majeure près, a déclaré Margaret Murnane, auteure principale de l’étude et professeur émérite de physique.

“Jusqu'à récemment, cela a complètement échoué pour des échantillons ou des objets très périodiques avec un motif répétitif régulier”, a déclaré Murnane, chercheur au JILA, un institut de recherche commun de CU Boulder et du National Institute of Standards and Technology (NIST). “C'est un problème car cela inclut beaucoup de nanoélectronique.”

Elle a noté que de nombreuses technologies importantes, comme certains semi-conducteurs, sont constituées d’atomes comme le silicium ou le carbone réunis selon des motifs réguliers comme une grille ou un maillage. Jusqu’à présent, ces structures se sont révélées difficiles à observer de près par les scientifiques à l’aide de la ptychographie.

Cependant, dans la nouvelle étude, Murnane et ses collègues ont trouvé une solution. Au lieu d’utiliser des lasers traditionnels dans leurs microscopes, ils ont produit des faisceaux de lumière ultraviolette extrême en forme de beignets.

La nouvelle approche de l'équipe permet de collecter des images précises de structures minuscules et délicates d'une taille d'environ 10 à 100 nanomètres, soit plusieurs fois plus petite qu'un millionième de pouce. À l’avenir, les chercheurs prévoient de zoomer pour visualiser des structures encore plus petites. Les faisceaux en forme de beignet, ou moment cinétique optique, n'endommageront pas non plus les minuscules composants électroniques au cours du processus, comme le peuvent parfois certains outils d'imagerie existants, comme les microscopes électroniques.

“À l'avenir, cette méthode pourrait être utilisée pour inspecter les polymères utilisés pour fabriquer et imprimer des semi-conducteurs à la recherche de défauts sans endommager ces structures au cours du processus”, a déclaré Murnane.

Repousser les limites des microscopes

Selon Murnane, la recherche repousse les limites fondamentales des microscopes : en raison de la physique de la lumière, les outils d'imagerie utilisant des lentilles ne peuvent voir le monde qu'à une résolution d'environ 200 nanomètres, ce qui n'est pas assez précis pour capturer de nombreux virus. , par exemple, qui infectent les humains. Les scientifiques peuvent congeler et tuer les virus pour les visualiser avec de puissants microscopes cryoélectroniques, mais ne peuvent pas encore capturer ces agents pathogènes en action et en temps réel.

La ptychographie, lancée au milieu des années 2000, pourrait aider les chercheurs à dépasser cette limite.

Pour comprendre comment, revenons à ces ombres chinoises. Imaginez que des scientifiques souhaitent collecter une image ptychographique d'une très petite structure, peut-être des lettres épelant « CU ». Pour ce faire, ils envoient d’abord un faisceau laser sur les lettres, les scannant plusieurs fois. Lorsque la lumière atteint le « C » et le « U » (dans ce cas, les marionnettes), le faisceau se brise et se disperse, produisant un motif complexe (les ombres). À l’aide de détecteurs sensibles, les scientifiques enregistrent ces modèles, puis les analysent à l’aide d’une série d’équations mathématiques. Avec suffisamment de temps, explique Murnane, ils recréent entièrement la forme de leurs marionnettes à partir des ombres qu'elles projettent.

“Au lieu d'utiliser un objectif pour récupérer l'image, nous utilisons des algorithmes”, a déclaré Murnane.

Elle et ses collègues ont déjà utilisé une telle approche pour visualiser des formes submicroscopiques comme des lettres ou des étoiles.

Mais l’approche ne fonctionnera pas avec des structures répétitives comme ces grilles de silicium ou de carbone. Si vous projetez un faisceau laser ordinaire sur un semi-conducteur avec une telle régularité, par exemple, cela produira souvent un motif de diffusion incroyablement uniforme : les algorithmes ptychographiques ont du mal à donner un sens aux motifs qui ne présentent pas beaucoup de variations.

Ce problème a laissé les physiciens perplexes pendant près d’une décennie.

Microscopie des beignets

Cependant, dans la nouvelle étude, Murnane et ses collègues ont décidé d'essayer quelque chose de différent. Ils n’ont pas fabriqué leurs ombres chinoises à l’aide de lasers ordinaires. Au lieu de cela, ils ont généré des faisceaux de lumière ultraviolette extrême, puis ont utilisé un dispositif appelé plaque de phase en spirale pour tordre ces faisceaux en forme de tire-bouchon ou de vortex. (Lorsqu’un tel vortex de lumière brille sur une surface plane, il prend la forme d’un beignet.)

Les faisceaux de beignets n'avaient pas de glaçage ni de pépites roses, mais ils ont fait l'affaire. L’équipe a découvert que lorsque ces types de faisceaux rebondissaient sur des structures répétitives, ils créaient des ombres chinoises beaucoup plus complexes que les lasers ordinaires.

Pour tester la nouvelle approche, les chercheurs ont créé un maillage d'atomes de carbone avec un petit clic dans l'un des maillons. Le groupe a pu repérer ce défaut avec une précision que l’on ne retrouve pas dans d’autres outils ptychographiques.

“Si vous essayiez d'imager la même chose avec un microscope électronique à balayage, vous l'endommageriez encore plus”, a déclaré Murnane.

À l’avenir, son équipe souhaite rendre sa stratégie de beignet encore plus précise, lui permettant de visualiser des objets plus petits et encore plus fragiles, y compris, un jour, le fonctionnement de cellules biologiques vivantes.