Un laser à nanoparticules et bon marché pourrait rendre les microscopes 10 fois meilleurs

Des microscopes extrêmement puissants et bon marché pourraient être le résultat de nouvelles recherches qui ont trouvé un moyen simple d'intensifier la lumière.

À l'heure actuelle, pour voir de petites choses comme des protéines ou des transistors dans des puces informatiques, vous avez besoin d'un microscope électronique ou d'une technologie encore plus coûteuse et peu pratique.

Cela entrave beaucoup la science à l'échelle nanométrique, en particulier dans la recherche médicale et la fabrication de puces informatiques. Ne pas voir les défauts à l'échelle nanométrique dans les puces informatiques peut coûter des milliards de dollars.

Mais des recherches publiées dans Science Advances, par une équipe internationale de chercheurs, ont abouti à une méthode qui pourrait ouvrir la voie à un grossissement beaucoup plus simple.

"Si nous regardons au microscope, nous pouvons voir des objets assez petits, mais pas infiniment petits", explique l'auteur principal, le Dr Sergey Kruk, chercheur au Centre de physique non linéaire de l'Université nationale australienne (ANU).

"La limite est la longueur d'onde de la lumière. Il existe une équation qui peut déterminer exactement la plus petite taille que vous pouvez voir dans un microscope particulier, mais en gros, vous pouvez voir des objets aussi petits que la moitié de la longueur d'onde de la lumière."

Besoin d'un explicateur sur la lumière? Lire : Qu'est-ce que la lumière ?

Les ondes lumineuses violettes ont la longueur la plus courte pour la lumière visible, avec une longueur d'onde d'environ 400 nanomètres (nm). C'est ce qu'on appelle aussi la lumière visible à haute fréquence : plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est courte.

Cela signifie qu'il est difficile de voir quoi que ce soit de plus petit que 200 nm : la plupart des molécules, et tous les atomes, sont beaucoup plus petits que cela.

Une solution pour contourner ce problème consiste à utiliser de la lumière non visible, avec des longueurs d'onde plus petites.

"Si vous utilisez une lumière ultraviolette extrême, d'une longueur d'onde de 100 nanomètres, vous pourrez peut-être voir quelque chose d'environ 50 nanomètres de large", explique Kruk.

Mais obtenir de la lumière avec des longueurs d'onde aussi courtes n'est pas facile.

"Il n'y a pas de sources naturelles de lumière ultraviolette extrême, et les sources artificielles sont rares et extrêmement volumineuses et extrêmement coûteuses", explique Kruk.

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"Par exemple, les synchrotrons peuvent générer une lumière ultraviolette extrême. Mais ces machines peuvent être de la taille d'une pièce à la taille d'un bâtiment ou à la taille d'une petite ville. Les lasers à électrons libres peuvent générer une lumière ultraviolette extrême, mais encore une fois, ce sont des configurations très grandes et très coûteuses.

"Ainsi, la seule voie que, selon ma compréhension, nous connaissons aujourd'hui pour obtenir des sources de lumière ultraviolette extrême à la taille d'une table ou d'une boîte à chaussures, est un processus appelé génération d'harmoniques élevées. Et c'est ce que nous avons essayé de poursuivre."

Les chercheurs ne sont pas encore à la lumière ultraviolette extrême, mais ils ont montré qu'ils peuvent transformer des sources de lumière à basse fréquence en fréquences plus élevées.

"Nous avons commencé avec une source de lumière conventionnelle, un laser - dans notre cas [la lumière] infrarouge", explique Kruk.

"Nous projetons de courtes rafales d'impulsions lumineuses du laser sur une seule nanoparticule. Et la nanoparticule génère des multiples d'une fréquence de ce laser. Elle génère deux fois la fréquence, trois fois la fréquence, quatre fois la fréquence, etc. Dans notre cas, jusqu'à sept fois la fréquence a été détectée."

Ce à quoi cela ressemblait en réalité était une lumière infrarouge invisible à basse fréquence devenant une lumière bleue visible.

"Nous pensons que si nous appliquons les mêmes principes à une configuration où nous partons d'un feu rouge, et que nous multiplions la fréquence par un facteur de sept, cela devrait nous amener à l'ultraviolet extrême", explique Kruk.

"C'est un laser commercial, qui peut être assez compact et assez abordable. Et puis il est conçu à partir d'une nanoparticule, ce qui est une nouveauté de notre recherche. Notre équipe a conçu et fabriqué ces particules nous-mêmes."

Il n'y a aucune raison physique pour qu'ils s'arrêtent à sept multiplications non plus - c'était juste le nombre le plus élevé qu'ils pouvaient détecter avec l'équipement qu'ils utilisaient.

Ensuite, l'équipe va essayer d'atteindre la lumière ultraviolette extrême, ainsi que de voir si elle peut démontrer son utilisation de manière pratique.

"Nous interagissons en particulier avec l'École de recherche médicale de l'ANU. Nous allons donc essayer de nous engager avec des chercheurs en biologie et en médecine pour voir quelque chose d'utile en utilisant ces sources de lumière", explique Kruk.

Selon Kruk, cela prendrait environ trois ans, soit environ la taille d'une subvention de recherche ou d'un projet de doctorat.

Publié à l'origine par Cosmos sous le titre À la recherche de très petites choses, les chercheurs voient la lumière

Ellen Phiddian est journaliste scientifique chez Cosmos. Elle est titulaire d'un baccalauréat ès sciences (avec distinction) en chimie et en communication scientifique, et d'une maîtrise en communication scientifique, tous deux de l'Université nationale australienne.

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