Une fenêtre sur le nanomonde : Les scientifiques mettent au point une nouvelle technique d'imagerie des fluctuations des matériaux
Nouvelles opportunités pour la recherche sur les matériaux
Une équipe de scientifiques, dirigée par des chercheurs de l'Institut Max Born de Berlin et du Helmholtz-Zentrum Berlin en Allemagne, ainsi que du Brookhaven National Laboratory et du Massachusetts Institute of Technology aux États-Unis, a mis au point une nouvelle méthode révolutionnaire pour capturer des images à haute résolution des fluctuations des matériaux à l'échelle nanométrique à l'aide de puissantes sources de rayons X. Cette méthode, appelée Imagerie par corrélation cohérente (CCI), permet de créer des films nets et détaillés sans endommager l'échantillon par un rayonnement excessif. La technique, qu'ils appellent Imagerie par corrélation cohérente (CCI), permet de créer des films nets et détaillés sans endommager l'échantillon par un rayonnement excessif. En utilisant un algorithme pour détecter des motifs dans les images sous-exposées, la CCI ouvre la voie à des informations auparavant inaccessibles. L'équipe a fait la démonstration de la CCI sur des échantillons constitués de fines couches magnétiques, et ses résultats ont été publiés dans Nature.
Le principe de l'imagerie par corrélation cohérente est utilisé pour imager un processus aléatoire, comme, au sens figuré, le lancer d'une pièce de monnaie. Une seule et brève image de la pièce peut ne pas être suffisamment exposée pour identifier clairement l'image de la pièce. Cependant, un nouvel algorithme peut trier et combiner plusieurs images pour produire des images claires des deux côtés de la pièce, qui peuvent ensuite être attribuées avec précision au moment de l'exposition.
Christopher Klose / MBI
Le royaume microscopique du monde est constamment en mouvement et marqué par des altérations incessantes. Même dans des matériaux solides apparemment immuables, ces fluctuations peuvent donner naissance à des propriétés inhabituelles ; un exemple étant la transmission sans perte du courant électrique dans les supraconducteurs à haute température. Les fluctuations sont particulièrement prononcées lors des transitions de phase, lorsqu'un matériau change d'état, par exemple de solide à liquide lors de la fusion. Les scientifiques étudient également des transitions de phase très différentes, comme le passage de l'état non conducteur à l'état conducteur, de l'état non magnétique à l'état magnétique, et les changements de structure cristalline. Nombre de ces processus sont utilisés dans la technologie et jouent également un rôle crucial dans le fonctionnement des organismes vivants.
Le problème : un éclairage trop intense peut endommager l'échantillon.
Étudier ces processus en détail est toutefois une tâche difficile, et capturer un film de ces modèles de fluctuation l'est encore plus. En effet, les fluctuations sont rapides et se produisent à l'échelle du nanomètre - un millionième de millimètre. Même les microscopes électroniques et à rayons X à haute résolution les plus avancés sont incapables de capturer ce mouvement rapide et aléatoire. Le problème est fondamentalement enraciné, comme l'illustre ce principe de la photographie : pour capturer une image claire d'un objet, il faut un certain niveau d'illumination. Pour agrandir l'objet, c'est-à-dire pour "zoomer", il faut davantage de lumière. Il faut encore plus de lumière pour tenter de capturer un mouvement rapide avec un temps d'exposition court. En fin de compte, l'augmentation de la résolution et la diminution du temps d'exposition conduisent à un point où l'objet serait endommagé ou même détruit par l'éclairage nécessaire. C'est exactement le point que la science a atteint ces dernières années : les clichés pris avec des lasers à électrons libres, les sources de rayons X les plus intenses disponibles aujourd'hui, conduisaient inévitablement à la destruction de l'échantillon étudié. Par conséquent, la capture d'un film de ces processus aléatoires composé de plusieurs images a été jugée impossible.
Nouvelle approche : utilisation d'un algorithme pour détecter des motifs dans des images faiblement éclairées
Une équipe internationale de scientifiques a maintenant trouvé une solution à ce problème. La clé de leur solution a été la prise de conscience que les modèles de fluctuation dans les matériaux ne sont souvent pas entièrement aléatoires. En se concentrant sur une petite partie de l'échantillon, les chercheurs ont observé que certains motifs spatiaux apparaissaient de manière répétée, mais que le moment exact et la fréquence de ces motifs étaient imprévisibles.
Les scientifiques ont mis au point une nouvelle méthode d'imagerie non destructive appelée imagerie par corrélation cohérente (CCI). Pour créer un film, ils prennent plusieurs clichés de l'échantillon en succession rapide tout en réduisant suffisamment l'éclairage pour que l'échantillon reste intact. Cependant, cela donne des images individuelles où le modèle de fluctuation de l'échantillon devient indistinct. Néanmoins, les images contiennent encore suffisamment d'informations pour les séparer en groupes. Pour y parvenir, l'équipe a d'abord dû créer un nouvel algorithme qui analyse les corrélations entre les images, d'où le nom de la méthode. Les clichés de chaque groupe sont très similaires et donc susceptibles de provenir du même modèle de fluctuation spécifique. Ce n'est que lorsque tous les clichés d'un groupe sont visionnés ensemble qu'une image claire de l'échantillon apparaît. Les scientifiques sont maintenant capables de rembobiner le film et d'associer chaque instantané à une image claire de l'état de l'échantillon à ce moment précis.
Un exemple : Filmer la "danse des domaines" dans les couches magnétiques
Les scientifiques ont créé cette nouvelle méthode pour s'attaquer à un problème spécifique dans le domaine du magnétisme : les motifs microscopiques qui apparaissent dans de fines couches ferromagnétiques. Ces couches sont divisées en régions appelées "domaines", dans lesquelles la magnétisation est orientée vers le haut ou vers le bas. Des films magnétiques similaires sont utilisés dans les disques durs modernes où les deux différents types de domaines codent les bits avec "0" ou "1". Jusqu'à présent, on pensait que ces motifs étaient extrêmement stables. Mais est-ce vraiment le cas ?
Pour répondre à cette question, l'équipe a étudié un échantillon constitué d'une telle couche magnétique à la National Synchrotron Light Source II de Long Island, près de New York, en utilisant la nouvelle méthode CCI. En effet, les motifs sont restés inchangés à température ambiante. Mais à une température légèrement plus élevée de 37°C (98°F), les domaines ont commencé à aller et venir de manière erratique, en se déplaçant les uns les autres. Les scientifiques ont observé cette "danse des domaines" pendant plusieurs heures. Ils ont ensuite créé une carte montrant l'emplacement préféré des frontières entre les domaines. Cette carte et le film des mouvements ont permis de mieux comprendre les interactions magnétiques dans les matériaux, favorisant les applications futures dans les architectures informatiques avancées.
De nouvelles opportunités pour la recherche sur les matériaux dans les sources de rayons X
Le prochain objectif des scientifiques est d'utiliser la nouvelle méthode d'imagerie sur des lasers à électrons libres, tels que le XFEL européen de Hambourg, afin de mieux comprendre les processus encore plus rapides aux plus petites échelles de longueur. Ils sont convaincus que cette méthode améliorera notre compréhension du rôle des fluctuations et des processus stochastiques dans les propriétés des matériaux modernes et, par conséquent, permettra de découvrir de nouvelles méthodes pour les utiliser de manière plus ciblée.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Christopher Klose, Felix Büttner, Wen Hu, Claudio Mazzoli, Kai Litzius, Riccardo Battistelli, Ivan Lemesh, Jason M. Bartell, Mantao Huang, Christian M. Günther, Michael Schneider, Andi Barbour, Stuart B. Wilkins, Geoffrey S. D. Beach, Stefan Eisebitt and Bastian Pfau; Coherent correlation imaging for resolving fluctuating states of matter; Nature (online) (2023)
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