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Posté par Redbran le Jeudi 07/12/2017 à 12:00
Nouvelle source d’électrons pour la microscopie électronique
En combinant un canon à émission de champ froide avec un laser femtoseconde, des physiciens ont développé une nouvelle source ultrabrève d’électrons pour la microscopie électronique ultrarapide cohérente.


En microscopie électronique conventionnelle, les sources à émission de champ à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) sont privilégiées pour les applications les plus exigeantes en raison de leur excellente brillance, cohérence spatiale et dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les...) énergétique. Des chercheurs du CEMES ont mis au point (Graphie) une version ultrarapide de ces sources ouvrant ainsi la voie à l’interférométrie électronique ultrarapide.

En microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des...) électronique en transmission, un faisceau d’électrons accélérés provenant d’une pointe traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir...) l’échantillon à analyser. Selon les caractéristiques de l’échantillon (composition, structure), l’intensité du faisceau est modifiée, ce qui nous renseigne sur l’objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une...) observé. Parmi les différentes sources d’électrons, les sources à émission de champ froide (la pointe reste à température ambiante) sont utilisées dans le cas d’analyses nécessitant une qualité optimale de faisceau électronique. Leur fonctionnement repose sur une nano-pointe métallique placée dans un champ électrique suffisamment fort pour permettre l’extraction d’électrons par effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible...). L’émission des électrons étant confinée à l’extrémité de la pointe métallique, ces sources sont celles dont la brillance (qui traduit le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de particules émises dans une direction donnée par unité de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) émettrice), la cohérence spatiale et temporelle sont les meilleures. Elles sont donc idéales pour les expériences d’interférométrie ou d’holographie (L'holographie du visible est un procédé de photographie en trois dimensions utilisant les propriétés de la lumière cohérente issue des lasers. Le mot holographie vient du grec holos...) électronique utilisées pour cartographier quantitativement les champs électriques, magnétiques ou de déformation dans les nanostructures.

Depuis une dizaine d’années, des efforts importants visent à combiner la résolution spatiale atomique des microscopes électroniques en transmission avec la résolution temporelle femtoseconde des sources lasers ultra-brèves. Ces développements ont permis des avancées importantes dans l’imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit...) des nanoobjets avec une excellente résolution spatio-temporelle. Cependant, la quasitotalité de ces travaux repose sur l’utilisation de paquets d’électrons émis par des photocathodes plates illuminées par des impulsions lasers femtosecondes. La faible brillance de ces sources limite leur champ d’application.

Des chercheurs du Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales de Toulouse (CEMES-CNRS) ont conçu et mis au point une nouvelle source d’électrons ultrabrève en modifiant puis combinant un canon à émission de champ froide avec un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by...) femtoseconde focalisé sur l’extrémité de la nano-pointe métallique. Cette nouvelle source de paquets d’électrons ultracourts (de l’ordre de 200 femtosecondes) permet de dépasser les limites des photocathodes. Cela ouvre des perspectives totalement nouvelles pour la microscopie électronique résolue en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), comme l’holographie électronique femtoseconde qui permettra la cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit...) quantitative ultrarapide des champs dans les nanoobjets (champs électromagnétiques, champs de contraintes, …). Ces résultats ont été publiés dans la revue Applied Physics Letters.

Référence publication:
Development (Development est une revue scientifique bimensuelle à comité de lecture couvrant tous les champs de la génétique évolutive du développement allant de la biologie...) of an ultrafast electron source based on a cold-field emission gun for ultrafast coherent (Le systèmes d'exploitation Coherent a été créé en 1983 par la défunte Mark Williams Company comme l'un des premiers systèmes de...) TEM
G. Mario Caruso, F. Houdellier, P. Abeilhou et A. Arbouet
Applied Physics Letters (2017), doi:10.1063/1.4991681

Contacts chercheurs:
Arnaud Arbouet, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)
Florent Houdellier, ingénieur de recherche CNRS

Informations complémentaires:
Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales (CEMES, laboratoire du CNRS associé à l’Université Paul Sabatier de Toulouse et à l’INSA Toulouse)

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Source: CNRS-INP