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Une importante percée dans le domaine de l’imagerie a récemment permis d’obtenir des images d’une précision sans précédent, mettant en évidence les atomes individuels et les liaisons chimiques au sein des molécules.

Une résolution proche des limites physiques absolues

Décrite dans la revue Science, cette avancée réalisée par des chercheurs de l’université Cornell a impliqué l’utilisation d’un puissant microscope électronique et de nouveaux algorithmes de réduction du bruit, ayant permis d’agrandir un échantillon de cristal d’orthoscandate de praséodyme (PrSc03) environ 100 millions de fois. Clairement visibles sous la forme de points brillants, les atomes sont entourés de « nuages » rouges qui, selon les chercheurs, sont des flous créés par le vacillement des atomes eux-mêmes.

Connue sous le nom de ptychographie électronique, l’approche globale consiste à scanner des motifs de diffusion des électrons se chevauchant à partir d’un échantillon de matériau et à rechercher les changements dans la région de chevauchement.

« Nous recherchons des motifs de scintillement qui ressemblent beaucoup à ces motifs de pointeur laser qui fascinent autant les chats. En observant comment le motif change, nous sommes en mesure de calculer la forme de l’objet à l’origine dudit motif », explique David Muller, auteur principal de l’étude.

Reconstruction par ptychographie électronique d’un cristal d’orthoscandate de praséodyme (PrScO3), agrandi 100 millions de fois — © Cornell University

Le détecteur à matrice de pixels conçu par les chercheurs utilise un faisceau très légèrement défocalisé afin de capturer la plus large gamme de données possible. Ces dernières sont ensuite utilisées pour reconstruire une image nette de l’échantillon (présentant une résolution de l’ordre du picomètre, soit un millième de nanomètre) grâce à des algorithmes complexes.

« Nous sommes maintenant en mesure de corriger tout le flou de notre microscope »

« Grâce à ces nouveaux algorithmes, nous sommes maintenant en mesure de corriger tout le flou de notre microscope, au point que le plus grand facteur de flou qui nous reste est le fait que les atomes eux-mêmes vacillent, car c’est ce qui arrive aux atomes à température déterminée », détaille Muller. « Lorsque nous parlons de température, il s’agit en fait de la vitesse moyenne à laquelle les atomes s’agitent. »

Bien que la résolution des images obtenues se rapproche des limites physiques absolues, l’équipe estime qu’elles pourraient encore être améliorées. En utilisant notamment des atomes plus lourds et moins agités ou en refroidissant les échantillons jusqu’au zéro absolu afin de réduire le flou, qui ne pourrait être totalement supprimé, en raison des fluctuations quantiques.

Selon les chercheurs, cette avancée pourrait être utilisée pour examiner de plus près les composants des ordinateurs quantiques et également trouver des applications dans le domaine de la bio-imagerie.

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