Comment l’étrangeté quantique améliore les microscopes électroniques

L’étrangeté quantique ouvre de nouvelles portes aux microscopes électroniques, des outils puissants utilisés pour l’imagerie à haute résolution.

Deux nouvelles avancées du laboratoire du physicien de l’UO Ben McMorran affinent les microscopes. Les deux proviennent de l’exploitation d’un principe fondamental de la mécanique quantique : qu’un électron peut se comporter simultanément comme une onde et une particule. C’est l’un des nombreux exemples de bizarreries étranges au niveau quantique dans lesquelles les particules subatomiques se comportent souvent d’une manière qui semble violer les lois de la physique classique.

L’une des études trouve un moyen d’étudier un objet au microscope sans entrer en contact avec lui, empêchant l’endoscope d’endommager des échantillons fragiles. Et le second conçoit un moyen de faire deux mesures sur un échantillon à la fois, donnant un moyen d’étudier comment les particules de cet objet interagissent potentiellement à travers les distances.

McMorran et ses collègues rapportent leurs découvertes dans deux articles, tous deux publiés dans la revue Lettres d’examen physique.

« Il est souvent difficile d’observer quelque chose sans l’influencer, surtout quand on regarde les détails », a déclaré McMorran. « La physique quantique semble nous fournir un moyen de regarder davantage les choses sans les perturber. »

Les microscopes électroniques sont utilisés pour obtenir des vues rapprochées des protéines et des cellules ainsi que des échantillons non biologiques, comme de nouveaux types de matériaux. Au lieu de la lumière utilisée dans les microscopes plus traditionnels, les microscopes électroniques focalisent un faisceau d’électrons sur un échantillon. Lorsque le faisceau interagit avec l’échantillon, certaines de ses caractéristiques changent. Un détecteur mesure les modifications du faisceau, qui sont ensuite traduites en une image haute résolution.

Mais ce puissant faisceau d’électrons peut endommager les structures fragiles de l’échantillon. Au fil du temps, cela peut dégrader les détails mêmes que les scientifiques tentent d’étudier.

Pour contourner le problème, l’équipe de McMorran a utilisé une expérience de pensée publiée au début des années 1990, qui proposait un moyen de détecter une bombe sensible sans la toucher et risquer de la déclencher.

L’astuce repose sur un outil appelé réseau de diffraction, une fine membrane avec des fentes microscopiques. Lorsque le faisceau d’électrons atteint le réseau de diffraction, il se sépare en deux.

Avec le bon alignement de ces réseaux de diffraction à séparation de faisceau, « l’électron entre et se divise en deux chemins, mais se recombine ensuite de telle sorte qu’il ne va que vers l’une des deux sorties possibles », a déclaré Amy Turner, étudiante diplômée à McMorran. laboratoire qui a mené la première étude. « L’idée est que lorsque vous insérez un échantillon, l’interaction de l’électron avec lui-même est interrompue. »

Dans cette configuration, les électrons ne frappent pas l’échantillon comme ils le font dans la microscopie électronique traditionnelle. Au lieu de cela, la façon dont le faisceau d’électrons se recombine révèle des informations sur le spécimen sous le champ d’application.

Dans une autre étude, l’équipe de McMorran a utilisé une configuration de réseau de diffraction similaire pour mesurer un échantillon à deux endroits à la fois. Ils ont divisé un faisceau d’électrons de sorte qu’il passe de chaque côté d’une petite particule d’or, mesurant les minuscules morceaux d’énergie que les électrons ont transférés à la particule de chaque côté.

Cette approche pourrait révéler des nuances sensibles au niveau atomique sur un échantillon, en comprenant la manière dont les particules interagissent dans un échantillon.

« Ce qui est spécial à ce sujet, c’est que vous pouvez en examiner deux parties distinctes, puis les combiner pour voir s’il s’agit d’une oscillation collective ou si elles ne sont pas corrélées », a déclaré Cameron Johnson, chercheur postdoctoral au Lawrence Berkeley National Lab qui a fait son travail de doctorat dans le laboratoire de McMorran et a dirigé l’étude. « Nous pouvons aller au-delà des limites des résolutions d’énergie du microscope et des interactions de sonde qui sont normalement inaccessibles. »

Bien que les deux études effectuent différents types de mesures, elles utilisent la même configuration de base, connue sous le nom d’interférométrie. Les membres de l’équipe de McMorran pensent que leur outil pourrait être utile au-delà de leur propre laboratoire, pour une variété de différents types d’expériences.

« Il s’agit du premier interféromètre à électrons de ce type », a déclaré Turner. « Les gens ont déjà utilisé des réseaux de diffraction, mais il s’agit d’une version fonctionnelle et flexible qui peut être réglée pour différentes expériences. »

Avec les bons matériaux et les bonnes instructions, la configuration pourrait être ajoutée à de nombreux microscopes électroniques existants, a déclaré McMorran. Son équipe a déjà suscité l’intérêt de chercheurs d’autres laboratoires qui souhaitent utiliser l’interféromètre dans leurs propres microscopes.

« Un microscope électronique nous permet de regarder des choses à l’échelle atomique, mais beaucoup de choses sont difficiles à voir, comme les matériaux biologiques qui sont à la fois assez invisibles pour les électrons et facilement endommagés », a ajouté McMorran. « Mais ici, nous avons montré que nous pouvons utiliser les propriétés d’onde quantique des électrons pour contourner ces problèmes, ainsi que pour mieux comprendre la nature fondamentale de la façon dont ces ondes électroniques interagissent avec les champs électromagnétiques comme la lumière. »