Observer un objet nanométrique avec une résolution attoseconde

Publié par Redbran le 21/08/2020 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
Au XIXème siècle, obtenir une photographie nécessitait de longs temps de pose, car les pellicules étaient très peu sensibles. Le problème subsiste en photographie moderne: si l'obturateur est trop rapide, trop peu de photons entrent dans l'appareil pour obtenir une bonne image. Ensuite, la résolution ultime de l'image est limitée par les longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière....) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à...) utilisées (typiquement quelques centaines de nanomètre pour les longueurs d'onde du visible).


De plus, pour les durées extrêmemement courtes, une impulsion lumineuse de durée attosecondes (quelques 10-18 s) est nécessairement composée d'un spectre très large en longueurs d'onde, dont la superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité...) brouille toute figure d'interférences. Ceci rend inefficace les méthodes usuelles de récupération d'image à partir d'algorithmes de résolution de problèmes inverses, bien connus au LIDYL. Tenant compte de ces limites, comment obtenir alors l'image d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) nanométrique avec une résolution attoseconde ?

Les chercheurs du LIDYL et du Synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) présentent une méthode originale pour dés-intriquer les contributions spectrales d'une impulsion attoseconde. Des images de très bonne qualité ont pu être reconstituées à partir de cette méthode, ce qui ouvre la voie à une 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 à la main, soit par...) à résolution nanométrique et attoseconde, accessible à partir des faisceaux de lumière générés par des sources de type Attosecond XFELs ou par génération d'harmoniques laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) d'ordre élevé (ATTOLAB).

L'imagerie sans lentille est une technique de 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 éléments invisibles à l'œil...) qui s'affranchit des limitations des systèmes de formation d'image traditionnels pour obtenir des résolutions spatiales a priori limitées uniquement par la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet...) d'onde du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) utilisé. Ces techniques reposent sur l'utilisation d'algorithmes itératifs, basés sur l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) de Fourier, faisant office de "lentilles virtuelles". Ces algorithmes reconstruisent l'image de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) à partir de la figure de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La diffraction...) résultant de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) d'une onde spatialement cohérente avec l'objet à étudier. Associée aux sources de rayons X ou extrême ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des...) (10-100 nm) de nouvelles générations, elle a déjà permis d'obtenir par exemple la structure tridimensionnelle de complexes de protéines qui ne peuvent être cristallisées ou de virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise les constituants pour se multiplier. Les virus existent sous une...).

Permettant l'accès à des courtes longueurs d'onde, ces nouvelles sources de rayonnement délivrent des impulsions de durées ultrabrèves allant jusqu'à quelques dizaines d'attosecondes. Il devient ainsi envisageable d'ajouter aux résolutions spatiales nanométriques une dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une...) temporelle avec des résolutions attosecondes. Cette perspective ouvre la voie à de nombreuses études de dynamiques électroniques en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) du solide, notamment dans le cadre des recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) sur l'électronique du futur, telle que la spintronique attoseconde par laser ou bien l'optoélectronique pétahertz. Cependant, pour élucider les mécanismes en jeu il est nécessaire de suivre spatialement les dynamiques électroniques, ce qui reste hors d'accès par les techniques actuelles.

Les techniques d'imagerie par diffraction cohérente sont usuellement applicables pour un éclairement par une onde lumineuse monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la couleur n'est formée que d'une fréquence ou, par extension de sens, d'une bande très étroite de fréquence au niveau...). Comme la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est...) spectrale d'une impulsion est inversement proportionnelle à sa durée, elle excède les 10% pour les impulsions attosecondes actuelles, dans le domaine de l'extrême ultraviolet. Dans de telles conditions, les algorithmes de reconstruction d'images par recouvrement (Un recouvrement d'un ensemble X est un ensemble P de sous-ensembles non vides de X tel que l'union de ces sous-ensembles soit égal à X. Autrement dit P est un recouvrement de X si et seulement si...) de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) deviennent inopérants. En effet, la figure de diffraction pour un large domaine spectral peut être vu comme la superposition incohérente des figures de diffraction monochromatiques créées par chacune des composantes de l'impulsion lumineuse. Comme illustré figure 1 dans le cadre de la diffraction par deux fentes parallèles, les franges d'interférences apparaissent brouillées.


Figure de diffraction créée par la superposition de 3 longueurs d'onde différentes (courbes pointillées)

Les travaux de thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il évoque.) de Julius Huijts au LIDYL se sont focalisés sur la mise au point (Graphie) d'un algorithme qui permet de monochromatiser la figure de diffraction. Cette étape a permis d'obtenir une figure de diffraction monochromatique d'une qualité exceptionnelle (fig. 2). L'efficacité de l'algorithme a été démontrée expérimentalement sur une source laser dans le domaine visible et dans le domaine des rayons X sur la ligne Nanoscopium du synchrotron Soleil, avec dans les deux cas une largeur spectrale Δλ/λ de 12%. La résolution spatiale de l'image reconstruite est même légèrement meilleure dans le cas de l'illumination large bande, sans doute grâce aux propriétés de suppression du bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la...) de l'algorithme de monochromatisation.


A gauche: Figure de diffraction issue de l'interaction d'une impulsion laser visible de grande largeur spectrale (Δλ/λ=12%) avec l'échantillon.
Au centre: figure de gauche après traitement de "monochromatisation".
À droite: reconstruction de l'image monochromatisée. En insert, image obtenue au microscope électronique (Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau de particules d'électrons pour illuminer un échantillon et en créer une image...) de l'échantillon (le trait noir représente 10 µm).

Ce nouvel algorithme, facile à implémenter car se présentant simplement comme une étape intermédiaire entre l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) des figures de diffraction et les algorithmes de recouvrement de phase traditionnels, ouvre ainsi la voie à l'imagerie nanométrique attoseconde, et par conséquent à l'étude de transitions de phase ultrarapides au sein des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.). En outre, il doit permettre de diminuer d'un ordre de grandeur les temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'acquisition en imagerie statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :) sur synchrotron, en tirant profit de la grande largeur spectrale des faisceaux blancs pour augmenter le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus...) de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) sans perte de résolution spatiale.

Références:

[1] Broadband coherent (Le systèmes d'exploitation Coherent a été créé en 1983 par la défunte Mark Williams Company comme l'un des premiers systèmes de type UNIX pour ordinateur IBM PC-compatible. Coherent était capable de tourner...) diffraction for single-shot attosecond imaging.
J. Huijts, S. Fernandez, D. Gauthier, M. Kholodtsova, A. Maghraoui, K. Medjoubi, A. Somogyi, W. Boutu, and H. Merdji, arXiv:1909.11345v2 [physics.optics] 26 Sep 2019 - Nature Photonics (2020).

[2] "Imagerie par diffraction cohérente des rayons X en large bande spectrale (En astronomie, une bande spectrale désigne une partie du spectre électromagnétique que laisse passer un filtre standard. Une bande spectrale est ainsi déterminée par son profil de...) et développements vers une source harmonique (Dans plusieurs domaines, une harmonique est un élément constitutif d'un phénomène périodique ou vibratoire (par exemple en électricité : les « courants harmoniques », qui sont des perturbations du courant électrique...) au keV pompée par laser moyen-infrarouge à haut taux de répétition", Thèse Julius Huitjs (2019).

Contacts CEA: Willem Boutu, Hamed Merdji (Lidyl/Atto)

Collaboration:

- Groupe Atto du LIDYL, CEA, 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).), Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) Paris-Saclay, CEA Saclay, Gif-sur-Yvette, France
- NanoSCOPIUM beamline at Synchrotron Soleil, BP 48, Saint Aubin, Gif-sur-Yvette, France.
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