Grâce à des techniques avancées d'acquisition d'images et de correction automatisée des aberrations, les chercheurs ont réussi à mesurer les champs magnétiques dans le Ba2FeMoO6 avec une résolution révolutionnaire de 0,47 nm pour une méthode qui permet l'observation d'échantillons irréguliers. Une résolution aussi élevée est essentielle pour observer les phénomènes magnétiques qui se produisent à l'interface entre les matériaux. Crédit : Toshiaki Tanigaki de Hitachi, Ltd.
Les techniques d’acquisition d’images et de correction de la défocalisation permettent désormais d’observer des champs magnétiques à l’échelle atomique avec une résolution jamais vue auparavant.
Une équipe de recherche japonaise, composée de scientifiques de Hitachi, Ltd. (TSE 6501, Hitachi), de l'université de Kyushu, de RIKEN et de HREM Research Inc. (HREM), a réalisé une avancée significative dans l'observation des champs magnétiques à des échelles extrêmement petites. En collaboration avec l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) et l'Institut national des sciences des matériaux (NIMS), l'équipe a utilisé le microscope électronique holographique à résolution atomique d'Hitachi, ainsi qu'une nouvelle technologie d'acquisition d'images et des algorithmes de correction de défocalisation, pour visualiser les champs magnétiques de couches atomiques individuelles au sein d'un solide cristallin.
De nombreuses avancées dans les domaines des appareils électroniques, de la catalyse, des transports et de la production d'énergie ont été rendues possibles par le développement et l'adoption de matériaux hautes performances aux caractéristiques sur mesure. La disposition des atomes et le comportement des électrons comptent parmi les facteurs les plus critiques qui déterminent les propriétés d'un matériau cristallin. En particulier, l'orientation et la force des champs magnétiques à l'interface entre différents matériaux ou couches atomiques sont particulièrement importantes et contribuent souvent à expliquer de nombreux phénomènes physiques particuliers. Avant cette avancée, la résolution maximale à laquelle le champ magnétique des couches atomiques pouvait être observé était limitée à environ 0,67 nm, un record établi par Hitachi en 2017 grâce à son microscope électronique holographique de pointe.
Améliorations de la technologie microscopique
Aujourd'hui, grâce à un vaste projet collaboratif, des chercheurs ont réussi à repousser encore plus loin cette limite en s'attaquant à quelques limitations clés du microscope électronique holographique d'Hitachi. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature.
Les chercheurs ont d'abord développé un système permettant d'automatiser le contrôle et le réglage de l'appareil lors de l'acquisition des données, accélérant considérablement le processus d'imagerie jusqu'à une vitesse de 10 000 images en 8,5 heures. Ensuite, en effectuant des opérations de moyennage spécifiques sur ces images, ils ont minimisé le bruit pour obtenir des images beaucoup plus claires contenant des données distinctes de champ électrique et de champ magnétique.
Le défi à relever ensuite était la correction des défocalisations minimes, qui provoquaient des aberrations dans les images acquises. « L’idée de correction des aberrations après la capture d’image que nous avons utilisée est exactement la même que celle qui a motivé le Dr Dennis Gabor à inventer l’holographie électronique en 1948. En d’autres termes, la méthodologie était déjà théoriquement établie. Jusqu’à présent, cependant, il n’existait aucune mise en œuvre technologique pour une telle correction automatisée dans l’holographie électronique hors axe », explique le chercheur en chef Toshiaki Tanigaki de Hitachi, Ltd. La technique mise en œuvre a permis de corriger la défocalisation due à des décalages de mise au point mineurs en analysant les ondes électroniques reconstruites. Grâce à cette approche, les images obtenues étaient exemptes d’aberrations résiduelles, ce qui rendait les positions et les phases des atomes facilement discernables avec un champ magnétique.
Observations révolutionnaires et perspectives d'avenir
En s'appuyant sur ces deux innovations, l'équipe a effectué des mesures d'holographie électronique sur des échantillons de Ba2FeMoO6un matériau cristallin stratifié dans lequel les couches atomiques adjacentes ont des champs magnétiques distincts. En comparant leurs résultats expérimentaux avec des simulations, ils ont confirmé qu'ils avaient dépassé le record précédemment établi, en parvenant à observer les champs magnétiques du Ba2FeMoO6 avec une résolution sans précédent de 0,47 nm. « Ce résultat ouvre la voie à des observations directes des réseaux magnétiques dans des zones spécifiques, telles que les interfaces et les joints de grains, dans de nombreux matériaux et dispositifs », commente Tanigaki avec enthousiasme. « Notre étude marque la première étape vers l’étude de nombreux phénomènes voilés dont l’existence peut être révélée par les configurations de spin des électrons dans les matériaux magnétiques. »
L’équipe espère que cette remarquable réussite contribuera à résoudre de nombreux défis scientifiques et technologiques. « Notre microscope électronique holographique à résolution atomique sera utilisé par diverses parties, contribuant ainsi à des avancées dans un large éventail de domaines allant de la physique fondamentale aux appareils de nouvelle génération. À terme, cela ouvrirait la voie à la réalisation d’une société neutre en carbone grâce au développement d’aimants haute performance et de matériaux hautement fonctionnels, essentiels aux efforts de décarbonisation et d’économie d’énergie », conclut Tanigaki, perspicace et tourné vers l’avenir.
Seul le temps nous dira quelles découvertes passionnantes et quels progrès technologiques nous attendent à la lumière des connaissances recueillies grâce à la microscopie holographique électronique améliorée, alors restez à l’écoute !
Le développement du microscope électronique à résolution atomique a été soutenu par une subvention de la Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) dans le cadre du « Funding Program for World-Leading Innovative R&D on Science and Technology (FIRST Program) » initié par le Council for Science, Technology, and Innovation (CSTI). De plus, une partie de cette recherche a également été soutenue par le programme « Core Research for Evolutional Science and Technology (CREST) » (JPMJCR1664) de la JST.
