La microscopie à rayons X super-résolvante dévoile les secrets cachés du nanomonde

Selon le professeur Franz Pfeiffer de l'EPFL et directeur de l'équipe de recherche, les chercheurs ont travaillé pendant de nombreuses années sur de tels concepts de microscopie super-résolvante pour les électrons et les rayons X. Seule la construction d'un instrument dédié de plusieurs millions de francs suisses au Swiss Light Source du PSI nous a permis d'atteindre la stabilité nécessaire à la mise en pratique de notre nouvelle méthode.

Ce nouvel instrument utilise un détecteur Megapixel Pilatus (dont le grand frère détecte les collisions de particules au Large Hadron Collider du CERN), qui a enthousiasmé la communauté des utilisateurs de synchrotron par sa capacité à compter des millions de photons X individuels sur une large surface. Cette caractéristique essentielle permet d'enregistrer des motifs de diffraction détaillés en balayant l'échantillon sous le point focal du faisceau, contrairement aux microscopes à rayons X (ou électroniques) conventionnels à balayage ne mesurant que l'intensité totale transmise.

Ces figures de diffraction sont ensuite exploitées au moyen d'un algorithme élaboré par l'équipe suisse. Pierre Thibault, chercheur d'origine québécoise maintenant au PSI et premier auteur sur la publication, explique la chose suivante: Nous avons mis au point un algorithme de reconstruction d'images qui traite plusieurs dizaines de milliers de figures de diffraction et les combine en une unique micrographie à rayons X à haute résolution. Afin d'obtenir des images de la plus haute précision, l'algorithme reconstruit non seulement l'échantillon, mais également la structure exacte du faisceau de rayons X incident. Pierre Thibault a obtenu son doctorat en physique à l'université Cornell sous la supervision de Veit Elser. Il est maintenant chercheur post-doctoral dans l'équipe de Franz Pfeiffer au PSI.

Les microscopes électroniques conventionnels à balayage peuvent enregistrer des images haute-résolutions, mais généralement que de la surface de l'échantillon, et les échantillons doivent être analysés sous vide. Le nouveau microscope super-résolvant mis au point par l'équipe suisse n'est pas limité par ces exigences, ce qui signifie que les scientifiques seront désormais capables d'examiner des semi-conducteurs ou des échantillons biologiques en profondeur, et ce sans les altérer. Il peut être utilisé pour caractériser, de manière non destructive, des défauts nanométriques enfouis dans des dispositifs semi-conducteurs, contribuant ainsi à améliorer la production et les performances de futurs dispositifs semi-conducteurs aux dimensions inférieures à la centaine de nanomètres. Une autre application très prometteuse est la microscopie haute-résolution dans le domaine des sciences de la vie, où la capacité de pénétration des rayons X peut être utilisée pour l'étude des cellules ou des structures subcellulaires. Finalement, l'approche peut également être étendue aux faisceaux d'électrons ou aux lasers dans le domaine du visible et aider à la conception de nouveaux microscopes optiques et électroniques plus performants.