Des chercheurs de l'EPFL ont développé une méthode permettant d'étalonner les spectromètres d'électrons avec une extrême précision en reliant les fréquences des micro-ondes, de l'optique et des électrons libres.
La fréquence est l’une des grandeurs mesurables les plus précises en science. Grâce aux peignes de fréquence optique, des outils qui génèrent une série de fréquences précises et équidistantes comme les dents d'une règle, les chercheurs peuvent connecter des fréquences sur tout le spectre électromagnétique, des micro-ondes à la lumière optique, permettant ainsi des percées en matière de chronométrage, de spectroscopie et de navigation.
La spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) est un outil puissant utilisé pour étudier la structure et les propriétés des matériaux au niveau atomique. Cela fonctionne en mesurant la façon dont les électrons perdent de l’énergie lorsqu’ils traversent un échantillon. Mais bien que l’EELS offre une excellente résolution spatiale, sa résolution spectrale, et sa capacité à mesurer l’énergie avec précision, est en retard par rapport aux méthodes optiques.
Les méthodes d'étalonnage actuelles de l'EELS reposent sur les niveaux d'énergie atomique, ce qui limite à la fois la précision et la portée. Pour les applications nécessitant une précision spectrale élevée, telles que l’analyse de matériaux à l’échelle nanométrique ou la spectroscopie vibrationnelle, cela constitue un défi.
Pour surmonter cette limitation, le professeur Tobias J. Kippenberg, le Dr Thomas LaGrange et le professeur Fabrizio Carbone ont développé une nouvelle technique qui amène la précision des peignes de fréquences optiques dans le domaine des électrons libres. L'ouvrage, publié dans Communications naturellesmontre qu'il est possible de relier les mesures de fréquence dans les domaines des micro-ondes, de l'optique et des électrons libres à l'aide d'une puce photonique à l'intérieur d'un microscope électronique à transmission.
Au cœur de la méthode se trouve un nitrure de silicium (Si3N4) puce microrésonateur, intégrée dans un microscope électronique à transmission. Les chercheurs ont projeté un laser à onde continue sur la puce. Ce laser était verrouillé sur une fréquence spécifique en utilisant un peigne de fréquence optique comme « règle ».
Lorsque les électrons libres passaient à proximité de la puce, ils interagissaient avec le champ électromagnétique du laser, captant de minuscules quantités d'énergie par étapes quantifiées. Cette interaction a modifié le spectre électronique en une structure en forme de peigne, où chaque pic correspondait à un multiple de l'énergie photonique du laser, qui avait été précisément définie à l'aide du peigne de fréquence.
En analysant le spectre électronique en forme de peigne, l’équipe a pu calibrer le spectromètre électronique avec une précision remarquable. Ils ont comparé différents cycles d'étalonnage et ont découvert que leur méthode pouvait détecter les erreurs systématiques dans la dispersion nominale du spectromètre et les corriger avec une grande précision. Cette nouvelle approche d’étalonnage est 20 fois plus précise que les méthodes conventionnelles et reste stable sur plusieurs fréquences laser.
Ils ont également montré que le spectre électronique seul pouvait être utilisé pour calculer la fréquence optique du laser, permettant essentiellement aux électrons libres de mesurer la lumière.
Cette technique ouvre la porte à la spectroscopie électronique de très haute précision. Cela pourrait améliorer notre capacité à étudier les propriétés vibratoires et électroniques des matériaux, à analyser les liaisons chimiques ou même à explorer les effets quantiques à l’échelle nanométrique. Parce qu’elle utilise des microscopes électroniques à transmission courants en mode onde continue, la méthode est largement applicable. À l’avenir, ces travaux pourraient conduire à une nouvelle norme pour définir les changements d’énergie dans la spectroscopie électronique et même permettre des peignes de fréquence basés sur les électrons.
