Une équipe internationale de scientifiques a mis au point la méthode de ptychographie pour se rapprocher des limites physiques de sa résolution. Dans l'image qu'ils ont reçue, des atomes individuels sont visibles et peu de distorsions sont causées par leurs vibrations thermiques.
Ayant atteint les limites de la résolution des méthodes de mesure modernes, l'équipe de scientifiques a travaillé sous la direction de David A. Muller. C'est ce professeur d'ingénierie de Cornell University (USA) qui a établi le précédent record dans ce domaine il y a trois ans. Un article décrivant les travaux de physiciens américains, suisses et allemands est publié dans la revue Science de l'American Association for the Advancement of Science (AAAS). Depuis la fermeture de la publication, des images époustouflantes, dont la plupart, malheureusement, ne sont compréhensibles que pour les professionnels, peuvent être visionnées en préimpression des travaux scientifiques sur le portail arXiv.
La ptychographie permet de distinguer les atomes individuels plus clairement que tout autre moyen, y compris les microscopes à force atomique et à effet tunnel. Plus important encore, cette méthode "regarde" la structure de la substance à l'étude, et pas seulement sa surface. De manière simplifiée, le principe de la ptychographie peut être décrit comme suit. Un faisceau d'électrons ou de rayons X légèrement défocalisé est dirigé sur l'échantillon. Derrière l'objet irradié se trouve un récepteur sur lequel se forme un motif interférométrique d'électrons ou de photons.
En analysant le signal reçu, l'ordinateur restaure la position des atomes qui ont dévié des photons ou des électrons. Malgré toutes les améliorations, la méthode a encore quelques limitations importantes. Par exemple, l'épaisseur de l'échantillon étudié ne dépasse pas encore plusieurs dizaines de nanomètres. Plus il est grand, plus un ordinateur est nécessaire pour analyser les signaux et restaurer l'image, ainsi que plus le bruit et la distorsion sont forts. Cependant, l'équipe de Mueller ne se décourage pas et envisage déjà plusieurs façons d'améliorer encore la technologie.
Dans leur dernière expérience, où ils se sont approchés de la limite théorique de la ptychographie, les physiciens ont utilisé un faisceau d'électrons dirigé sous différents angles vers un fin cristal de PrScO3. Les images obtenues, obtenues par les scientifiques, montrent clairement la structure tridimensionnelle de la pérovskite, constituée d'atomes de praséodyme, de scandium et d'oxygène. À titre de comparaison, le travail fournit plusieurs exemples illustratifs d'études similaires par d'autres méthodes de visualisation.
Comme le souligne Mueller, le travail de ses collègues est comme acheter de nouvelles lunettes après avoir toujours porté des verres très faibles. Les scientifiques sont maintenant impatients d'utiliser une ptychographie améliorée sur une variété d'objets - des cristaux semi-conducteurs (pour leur trouver des défauts) aux neurones vivants (pour étudier les processus submoléculaires dans le tissu nerveux). En plus d'élargir la liste des échantillons que les physiciens vont placer sous un nouveau "microscope", ils réfléchissent à étendre les capacités de la méthode.
Tout d'abord, il existe un moyen évident d'augmenter la résolution: prélever un échantillon d'atomes aussi lourds que possible et le refroidir à une température proche du zéro absolu. Mais si entre les résultats de 2018 et les travaux en cours, la différence de clarté de l'image était de près de deux ordres de grandeur, alors le refroidissement ne donnera plus une telle augmentation. De plus, des supercalculateurs et des réseaux de neurones peuvent être utilisés pour accélérer le calcul des données reçues par le récepteur de rayonnement. Il est peu probable que cette dernière amélioration augmente la résolution de la méthode, mais elle permettra de numériser des structures plus grandes.