Les matériaux quantiques possèdent une multitude de propriétés électroniques, magnétiques et optiques exotiques qui en font des candidats privilégiés pour une utilisation dans les futures technologies informatiques et énergétiques. Leurs propriétés résultent d’une interaction complexe entre leurs électrons et leurs noyaux atomiques. Les chercheurs peuvent observer ces interactions au fur et à mesure qu’elles se produisent à l’aide de courtes impulsions de rayons X ou de faisceaux d’électrons. Ces impulsions durent moins d’un billionième de seconde.
En utilisant de nouveaux matériaux émettant une sonde électronique étroite, les chercheurs ont développé une technique de faisceau électronique ultrarapide pour sonder de petits morceaux minces de matériaux quantiques avec une très haute résolution.
Jusqu’à présent, les scientifiques ne peuvent pas créer de nombreux matériaux quantiques émergents sous forme de grands cristaux. Au lieu de cela, ces matériaux forment des cristaux seulement dix fois plus larges qu’un cheveu humain. Cela constitue un défi pour les chercheurs qui étudient ces matériaux à l’aide d’accélérateurs de faisceaux d’électrons ultrarapides, car la qualité des faisceaux d’électrons limite souvent la taille réduite de la zone sur laquelle ces faisceaux peuvent se concentrer.
Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé une source spécialisée d’électrons pour produire une amélioration substantielle de la qualité du faisceau électronique. Cela permet d’obtenir des images nettes d’échantillons de seulement quelques microns de large et de processus se déroulant en moins d’un billionième de seconde. Ces travaux pourraient conduire à une image plus claire et à une compréhension du fonctionnement des matériaux quantiques aux échelles spatiales et temporelles atomiques.
Ces accélérateurs génèrent généralement des impulsions électroniques ultrarapides via un processus appelé photoémission, dans lequel la lumière laser fait sortir les électrons d’un matériau, généralement un simple métal comme le cuivre. Si l’impulsion laser est de courte durée, le faisceau d’électrons émis sera également court. L’un des défis posés par les sources de photoémission typiques est que les électrons émis ne se déplacent pas tous dans la même direction. Cette dispersion de l’angle d’émission peut finalement limiter la capacité des chercheurs à concentrer le faisceau d’électrons sur un petit point.
Dans ce travail, les chercheurs ont développé un accélérateur d’électrons basé sur la photoémission avec un matériau de photoémission avancé développé en interne qui produit de nombreux électrons avec une répartition beaucoup plus petite de l’angle d’émission. En utilisant cette source en conjonction avec une optique précise de focalisation des électrons, les chercheurs ont réalisé des expériences de diffraction électronique ultrarapides de preuve de principe qui ont montré la capacité de résoudre des détails atomiques subtils dans des échantillons aussi petits que quelques microns.
Les résultats sont publiés dans la revue Dynamique structurelle.
Plus d’information:
WH Li et al, Un appareil de micro-diffraction électronique ultrarapide kiloélectron-volt utilisant des photocathodes à semi-conducteurs à faible émissivité, Dynamique structurelle (2022). DOI : 10.1063/4.0000138