Imaginez pouvoir observer les particules les plus infimes de la matière, capturer les mouvements des électrons en temps réel, et ce avec une précision jamais atteinte jusqu’ici. C’est désormais possible grâce à une récente avancée en microscopie électronique. Des chercheurs de l’Université de l’Arizona ont mis au point le microscope le plus rapide au monde, capable de capturer le mouvement des électrons — à l’échelle temporelle de l’attoseconde. Cette technologie pourrait permettre à terme d’en apprendre plus sur le comportement quantique de la matière et accélérer le développement de nouveaux matériaux.
Cette prouesse technologique repose sur l’utilisation de pulsations électroniques ultrarapides, permettant d’observer le mouvement des électrons avec une précision inégalée. « Lorsque vous obtenez la dernière version d’un smartphone, vous avez normalement une meilleure caméra qu’avant », explique dans un communiqué de l’Université de l’Arizona le Dr Mohammed Hassan, professeur de physique et de sciences optiques. « Ce microscope électronique est comme une caméra très puissante dans la dernière version des smartphones ; il nous permet de prendre des photos de choses que nous ne pouvions pas voir auparavant – comme les électrons. Avec ce microscope, nous espérons que la communauté scientifique pourra comprendre la physique quantique derrière le comportement et le mouvement des électrons », ajoute-t-il.
Le nouveau microscope utilise une double impulsion lumineuse, où la première impulsion, appelée «impulsion de pompe», excite les électrons de l’échantillon, tandis que la seconde, synchronisée avec précision, capture les électrons en mouvement. Cette méthode permet d’obtenir des images à une échelle temporelle de 625 attosecondes (soit 625 milliardièmes de milliardièmes de seconde), une avancée majeure par rapport aux techniques précédentes.
Pour concevoir le dispositif, les chercheurs ont utilisé un puissant laser qu’ils ont divisé en deux parties : une émettant une pulsation d’électrons très rapide et l’autre, deux pulsations lumineuses ultracourtes. La première pulsation lumineuse, dite « pulsation de pompe », fournit de l’énergie à un échantillon, provoquant le mouvement des électrons ou d’autres changements rapides. La seconde pulsation lumineuse, appelée « pulsation de porte optique », crée une fenêtre temporelle brève pendant laquelle la pulsation d’électrons de l’ordre de l’attoseconde est générée. En synchronisant soigneusement les deux pulsations, les chercheurs contrôlent le moment où les pulsations d’électrons sondent l’échantillon, permettant d’observer les processus ultrarapides au niveau atomique.
Comme l’obturateur d’un appareil photo, ces impulsions leur ont donc permis de capturer une nouvelle image des électrons dans une feuille de graphène toutes les 625 attosecondes, soit environ mille fois plus rapidement que les techniques existantes.
Des applications prometteuses pour divers domaines
Les applications potentielles de cette technologie sont vastes et prometteuses. En physique, elle pourrait permettre de mieux comprendre les interactions fondamentales entre les électrons et les champs électromagnétiques. En chimie, elle pourrait fortement aider l’étude des réactions chimiques en offrant une visualisation directe des mouvements électroniques pendant les réactions.
L’étude, publiée dans Science Advances, explique également comment cette nouvelle technologie de microscopie permet de lier directement le mouvement des électrons à la dynamique structurelle de la matière en temps réel. Cela signifie que les scientifiques peuvent désormais observer et analyser des phénomènes qui se produisent trop rapidement pour être détectés avec les technologies antérieures. En bioingénierie, cette technologie pourrait être utilisée pour observer les processus biologiques à l’échelle moléculaire, ce qui pourrait mener à des découvertes concernant le fonctionnement des cellules et des molécules biologiques.
Bien entendu, les implications de cette technologie ne se limitent pas à la recherche fondamentale. Elle pourrait également avoir des applications pratiques dans des domaines industriels et de recherche appliquée. Les microscopes électroniques y sont déjà largement utilisés pour examiner la structure et la composition des matériaux, et cette nouvelle technologie pourrait améliorer considérablement la précision et la rapidité de ces analyses.
Cependant, comme toute nouvelle technologie, cette avancée présente également des défis. Pour commencer, pour le moment du moins, sa mise en œuvre nécessite des équipements sophistiqués et coûteux, ainsi qu’une formation spécialisée pour les chercheurs. De plus, la manipulation des échantillons à des échelles de temps aussi courtes pose des défis techniques conséquents. « L’amélioration de la résolution temporelle à l’intérieur des microscopes électroniques a été longtemps anticipée et le centre d’intérêt de nombreux groupes de recherche, car nous voulons tous voir le mouvement des électrons », a déclaré Hassan dans le communiqué.
Dans le domaine de la médecine, cette technologie pourrait permettre aux chercheurs de sonder la manière dont les électrons se déplacent dans l’ADN. Ces informations pourraient ainsi aider à créer de nouveaux matériaux ou des médicaments personnalisés, estime Hassan.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]
