CHIRALTEM – un tournant dans la microscopie

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En 2003, à Vienne, deux physiciens manipulent des électrons par équations interposées. Et leurs résultats suggèrent que l’impossible – du moins considéré jusqu’ici comme tel – pourrait bien être possible, en fin de compte.

En bref, il semblait être possible d’utiliser un microscope électronique en transmission (MET), comme ceux que l’on trouve dans les laboratoires un peu partout dans le monde, pour analyser en détail les propriétés magnétiques des matériaux. Jusqu’alors, ce genre d’analyse s’effectuait à l’aide d’un synchrotron, un instrument de grande taille, coûteux et plutôt rare.

Afin de vérifier si leur théorie pouvait être mise en pratique, les scientifiques autrichiens ont formé une équipe pluridisciplinaire avec des collègues d’Allemagne, d’Italie et de la République tchèque, dans le cadre du projet CHIRALTEM (Chiral Dichroism in the Transmission Electron Microscope), seule équipe au monde à étudier cette idée.

Les chercheurs ont démontré que les microscopes MET pouvaient effectivement donner des informations sur les propriétés magnétiques des matériaux. Et qui plus est, avec un niveau de détails bien supérieur à celui d’autres techniques, comme le XMCD (acronyme anglais désignant le dichroïsme magnétique circulaire des rayons X). Cette découverte peut s’avérer utile dans de nombreux domaines et notamment dans les calculateurs quantiques, qui stockent les données en utilisant le spin des électrons.

EN SAVOIR PLUS

Analyser la matière grâce aux électrons

Depuis les années 1930, les chercheurs utilisent des MET pour étudier les matériaux sur d’infimes échelles. Par exemple, les MET permettent d’explorer l’intérieur des cellules et la structure des cristaux.

Les microscopes MET fonctionnent sur le même principe que les microscopes optiques classiques, à la seule différence que les photons sont remplacés par un faisceau d’électrons, focalisé par des lentilles magnétiques. La longueur d’onde des électrons étant bien inférieure à celle de la lumière visible, le MET autorise un grossissement bien plus important qu’un microscope optique, et avec une résolution largement supérieure.

L’une des limitations du MET est son insensibilité aux caractéristiques magnétiques de certains atomes dans un échantillon. En théorie, le MET pourrait les détecter s’il pouvait produire un faisceau polarisé où tous les électrons tourneraient dans le même sens. Mais comme le faisceau d’électrons produit par un MET n’est pas polarisé, les physiciens ont conclu qu’il était impossible de l’utiliser pour observer les propriétés magnétiques d’un échantillon.

Une technique délicate

Jusqu’alors, la seule méthode connue pour étudier les propriétés magnétiques des matériaux était le «XMCD», le dichroïsme circulaire à rayons X. L’analyse «XMCD» exploite un phénomène appelé polarisation circulaire, dans lequel une onde électromagnétique (par exemple la lumière visible), semble tourner autour de l’axe de la trajectoire du rayon lumineux, comme une flèche tournoyant en vol.

Dans le cas du XMCD, l’échantillon est étudié par un faisceau polarisé de rayons X. L’absorption des rayons X par la matière dépend de la direction du champ magnétique: c’est le dichroïsme. Le XMCD présente toutefois des inconvénients, la résolution étant en effet inférieure à celle d’un microscope MET, et une technique principalement utilisée (la XPEEM, ou spectromicroscope de photoélectrons) ne permet d’observer que la surface d’un matériau. Mais le principal problème du XMCD est qu’il faut un synchrotron pour produire les rayons X, et que les synchrotrons sont extrêmement coûteux et relativement rares.

Soutenir la gageure

Sur le papier, l’équation obtenue semblait aller à l’encontre de l’idée selon laquelle un microscope MET ne pouvait pas étudier les propriétés magnétiques d’un échantillon. Mais dans la pratique? L’objectif de CHIRALTEM était de vérifier cette hypothèse et, si possible, de comparer la nouvelle technique avec le XMCD. Personne n’avait jamais tenté la comparaison et le succès n’était aucunement garanti.

Pour savoir s’il était possible de détecter l’effet dichroïque, les partenaires du projet ont étudié des matériaux magnétiques dans un MET. Il leur a d’abord fallu définir le meilleur mode de préparation des échantillons et de contrôle des champs magnétiques dans le MET.

L’équipe a rapidement démontré qu’il était possible de détecter des effets magnétiques en utilisant le faisceau d’électrons ordinaire, que l’on trouve dans un MET classique. Les chercheurs de CHIRALTEM ont nommé leur technique EMCD (dichroïsme magnétique chiral à perte d’énergie des électrons). Leurs résultats ont été publiés dans le numéro du mois de mai 2006 de la prestigieuse revue scientifique Nature.

L’EMCD présente de nombreux avantages par rapport aux autres techniques. La haute résolution du MET permet de détecter des structures magnétiques dix fois plus petites que celles identifiées par les techniques aux rayons X.

Avec l’EMCD, le MET peut désormais étudier d’un seul coup la cristallographie, la morphologie, la chimie et les propriétés magnétiques d’un même échantillon.

Une foule de possibilités

Le résultat positif du projet ouvre une multitude de possibilités, et l’EMCD pourrait devenir une nouvelle méthode pour analyser et caractériser les propriétés magnétiques des matériaux à l’échelle nanométrique. Elle pourrait aussi servir à améliorer notre compréhension des phénomènes magnétiques de certains éléments chimiques et serait idéale pour l’étude des films magnétiques minces.

En biologie, l’EMCD serait un outil précieux pour étudier les très nombreuses formes de vie capables de détecter le champ magnétique terrestre et de s’en servir pour s’orienter. Beaucoup d’êtres vivants ont une boussole interne, comme les oiseaux, les bactéries et les reptiles. Par exemple, les pigeons possèdent un matériau magnétique dans leur bec. En étudiant la façon dont ces êtres vivants utilisent le champ magnétique terrestre, nous pourrions par exemple comprendre comment certains d’entre eux se dirigent pendant leurs migrations.

Dans le secteur industriel, l’EMCD serait d’un grand intérêt pour analyser les matériaux utilisés dans les enregistreurs miniaturisés ou dans les ordinateurs qui stockent les données grâce au spin des électrons.

Les partenaires du projet CHIRALTEM cherchent maintenant à favoriser les contacts entre les utilisateurs de microscopes électroniques et de synchrotrons, car ces deux disciplines n’avaient jusqu’à présent que peu de points communs. Des relations de travail plus étroites seront très avantageuses pour les futures recherches dans ce domaine.

En prouvant que ce que l’on croyait impossible peut être possible, CHIRALTEM a souligné la capacité d’innovation de la recherche européenne. En surmontant l’impossible, ils ont ouvert la voie vers un nouveau domaine de recherche, particulièrement passionnant, dont on commence seulement à exploiter le potentiel.