Une nouvelle lentille à rayons X facilite l’aperçu du nanomonde

Une microstructure créée par une imprimante 3D : la structure réfractive innovante développée par les scientifiques du PSI et qui, combinée à un élément diffractif, donne une lentille à rayons X achromatique, mesure près d’un millimètre de long (ou de haut, comme le montre la photo). Tourné sur son extrémité, il ressemble à une fusée miniature. Il a été créé par une imprimante 3D utilisant un type spécial de polymère. Cette image de la structure a été capturée à l’aide d’un microscope électronique à balayage. Crédit : Institut Paul Scherrer / Umut Sanli

Les scientifiques de l’Institut Paul Scherrer ont mis au point une lentille achromatique révolutionnaire pour les rayons X. Cela permet aux faisceaux de rayons X d’être focalisés avec précision sur un seul point même s’ils ont des longueurs d’onde différentes. La nouvelle lentille facilitera grandement l’étude des nanostructures à l’aide de rayons X, selon un article que les chercheurs viennent de publier dans la revue scientifique Communication Nature.

Les lentilles achromatiques sont essentielles pour produire des images nettes en photographie et en microscopes optiques. Ils garantissent que différentes couleurs – c’est-à-dire une lumière de différentes longueurs d’onde – ont un point focal commun. À ce jour, cependant, les lentilles achromatiques n’étaient pas disponibles pour les rayons X, de sorte que la microscopie à rayons X à haute résolution n’a été possible qu’avec des rayons X monochromatiques. En pratique, cela signifie que toutes les autres longueurs d’onde doivent être filtrées du spectre du faisceau de rayons X et que seule une petite partie de la lumière peut être utilisée efficacement, ce qui entraîne un processus de capture d’image relativement inefficace.

Une équipe de scientifiques du PSI vient de résoudre ce problème en développant avec succès une lentille à rayons X achromatique pour les rayons X. Étant donné que les rayons X peuvent révéler des structures beaucoup plus petites que la lumière visible, la lentille innovante profitera particulièrement aux travaux de R&D dans des secteurs tels que les micropuces, les batteries et la science des matériaux, entre autres.

Plus complexe que dans le visible

Le fait qu’il ait fallu jusqu’à présent pour développer une lentille achromatique pour les rayons X peut à première vue surprendre : pour la lumière visible, les lentilles achromatiques existent depuis plus de 200 ans. Ceux-ci sont généralement composés de deux matériaux différents. La lumière pénètre dans le premier matériau et se divise en ses couleurs spectrales, un peu comme lors du passage à travers un prisme de verre conventionnel. Il passe ensuite à travers un deuxième matériau pour inverser cet effet. En physique, le processus de séparation de différentes longueurs d’onde est appelé “dispersion”.

«Ce principe de base appliqué dans le visible ne fonctionne pas dans le domaine des rayons X», explique le physicien Christian David, responsable du groupe de recherche X-Ray Optics and Applications au Laboratoire de nanosciences et technologies des rayons X du PSI. “Pour les rayons X, il n’existe pas de couple de matériaux dont les propriétés optiques diffèrent suffisamment sur une large gamme de longueurs d’onde pour qu’un matériau contrebalance l’effet de l’autre. En d’autres termes : la dispersion des matériaux dans le domaine des rayons X est trop semblable.”

Deux principes plutôt que deux matériaux

Ainsi, au lieu de chercher la réponse dans la combinaison de deux matériaux, les scientifiques ont lié deux principes optiques différents. “L’astuce consistait à réaliser que nous pouvions positionner une deuxième lentille réfractive devant notre lentille diffractive”, explique Adam Kubec, auteur principal de la nouvelle étude. Jusqu’à récemment, Kubec était chercheur dans le groupe de Christian David et travaille maintenant pour XRnanotech, une spin-off issue des recherches du PSI en optique à rayons X.

« Depuis de nombreuses années maintenant, PSI est un leader mondial dans la production de lentilles à rayons X », déclare David. “Nous fournissons des lentilles spécialisées, connues sous le nom de plaques de zone de Fresnel, pour la microscopie à rayons X aux sources de lumière synchrotron dans le monde entier.” Le groupe de recherche de David utilise des méthodes de nanolithographie établies pour produire des lentilles diffractives. Cependant, pour le deuxième élément de la lentille achromatique – la structure réfractive – une nouvelle méthode était nécessaire, qui n’est devenue disponible que récemment : l’impression 3D à l’échelle micrométrique. Cela a finalement permis à Kubec de produire une forme qui ressemble vaguement à une fusée miniature.

Une nouvelle lentille à rayons X facilite l'aperçu du nanomonde

Démonstration de l’imagerie STXM à différentes énergies à l’aide de l’achromat. a) Images STXM de l’échantillon d’étoiles Siemens montré dans le panneau b obtenu avec l’achromat, indiquant une gamme achromatique de> 1 keV autour de l’énergie optimale de ~ 6,4 keV. b) Image SEM de l’échantillon de test en étoile Siemens. Les lignes radiales et les espaces (L / S) au niveau des anneaux concentriques externe et interne ont des largeurs de 400 nm et 200 nm, respectivement, voir les flèches rouges. c) La comparaison des résultats du STXM dans la gamme d’énergie de 6,0 keV à 6,4 keV obtenue avec l’achromat (en haut) et le FZP conventionnel (en bas). Alors que le contraste des images FZP change rapidement avec l’énergie, la qualité d’image obtenue avec l’achromat ne varie que légèrement. Crédit: Communication Nature (2022). DOI : 10.1038 / s41467-022-28902-8

Applications commerciales potentielles

L’objectif nouvellement développé permet de passer de l’application de recherche à la microscopie à rayons X à usage commercial, par exemple dans l’industrie. “Les sources synchrotron génèrent des rayons X d’une intensité si élevée qu’il est possible de filtrer toutes les longueurs d’onde sauf une seule tout en préservant suffisamment de lumière pour produire une image”, explique Kubec. Cependant, les synchrotrons sont des installations de recherche à grande échelle. Jusqu’à présent, le personnel de R&D travaillant dans l’industrie se voit allouer un temps de faisceau défini pour mener des expériences sur les synchrotrons des instituts de recherche, dont la source lumineuse suisse SLS au PSI. Ce temps de faisceau est extrêmement limité, coûteux et nécessite une planification à long terme.

“L’industrie aimerait avoir des boucles de réponse beaucoup plus rapides dans ses processus de R&D”, déclare Kubec. “Notre objectif à rayons X achromatique y contribuera énormément : il permettra d’utiliser des microscopes à rayons X compacts que les entreprises industrielles pourront utiliser dans leurs propres locaux.”

En collaboration avec XRnanotech, PSI prévoit de commercialiser le nouvel objectif. Kubec affirme avoir déjà des contacts appropriés avec des entreprises spécialisées dans la construction d’installations de microscopie à rayons X à l’échelle du laboratoire.

Faisceau de rayons X SLS utilisé pour les tests

Pour caractériser leur lentille de rayons X achromatique, les scientifiques ont utilisé une ligne de faisceau de rayons X au SLS. L’une des méthodes employées est une technique de microscopie à rayons X très développée appelée ptychographie. “Cette technique est normalement utilisée pour examiner un échantillon inconnu”, explique la deuxième auteure de l’étude, Marie-Christine Zdora, physicienne travaillant dans le groupe de recherche de Christian David et experte en imagerie par rayons X. “Nous avons en revanche utilisé la ptychographie pour caractériser le faisceau de rayons X et donc notre lentille achromatique.” Cela a permis aux scientifiques de détecter avec précision l’emplacement du point focal des rayons X à différentes longueurs d’onde.

Ils ont également testé la nouvelle lentille en utilisant une méthode dans laquelle l’échantillon est déplacé à travers le foyer du faisceau de rayons X par petites étapes de trame. Lorsque la longueur d’onde du faisceau de rayons X est modifiée, les images produites avec une lentille à rayons X conventionnelle deviennent très floues. Ceci, cependant, ne se produit pas lors de l’utilisation de la nouvelle lentille achromatique. “Lorsque nous avons enfin obtenu une image nette de l’échantillon de test sur une large gamme de longueurs d’onde, nous savions que notre objectif fonctionnait”, se réjouit Zdora.

David ajoute : « Le fait que nous ayons pu développer cette lentille à rayons X achromatique au PSI et que nous allons bientôt la commercialiser avec XRnanotech montre que le type de recherche que nous menons ici peut déboucher sur des applications pratiques en très peu de temps. temps. ”


Des chercheurs impriment en 3D des micro-optiques complexes avec des performances d’imagerie améliorées


Plus d’information:
Adam Kubec et al, Une lentille à rayons X achromatique, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038 / s41467-022-28902-8

Fourni par l’Institut Paul Scherrer

Citation: Une nouvelle lentille à rayons X facilite un aperçu du nanomonde (14 mars 2022) récupéré le 15 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-x-ray-lens-glimpse-nanoworld.html

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