Développement d'un Microscope Electronique en Transmission cohérent ultrarapide pour la mise en oeuvre de nanospectroscopies originales et l'interférométrie électronique résolue en temps – FEMTOTEM

Il n'est pas possible aujourd'hui de réaliser des études par Microscopie Electronique en Transmission COHERENTE avec une résolution temporelle sub-picoseconde. En effet, les Microscopes Electroniques en Transmission ultrarapides (UTEM) développés jusqu'ici utilisent tous des photocathodes plates comme source d'électrons. Leur cohérence spatiale, brillance et résolution spectrale trop faibles interdisent leur utilisation pour les applications les plus exigeantes.

Ce projet est radicalement différent des autres projets de microscopie électronique ultrarapide: il vise à développer le premier UTEM utilisant une source d'électrons brillante constituée par une nanopointe métallique dont les électrons sont extraits par émission de champ photoassistée par laser. Pour cela, nous combinerons un laser femtoseconde et un Microscope Electronique en Transmission (MET) doté d'un canon à émission de champ froide. Cette combinaison de resolution temporelle femtoseconde, de brillance (ce qui permet une excellente résolution spatiale et cohérence spatiale) et de résolution en énergie aura un potentiel unique pour les recherches en nanophysique et science des matériaux.

La première partie du projet comporte deux développements instrumentaux. Tout d'abord, nous allons démontrer et caractériser la génération d'impulsions électroniques ultrabrèves accélérées sous 200 kV à partir du canon à électrons d'un MET commercial modifié. L'émission des électrons sera étudiée (courant émis, dispersion énergétique) en fonction des paramètres du laser et de la tension d'extraction sur un canon déjà monté sur un banc ultravide. Une fois caractérisée, cette source d'électrons ultrarapides sera transférée sur une colonne de MET. Son potentiel sera soigneusement déterminé pour les applications standard de microscopie électronique puis pour les expériences exigeantes comme celles d'holographie électronique. La finalisation d'un nouvel accessoire permettant l'injection/collection de lumière vers/depuis l'intérieur d'un MET, dont nous avons déjà conçu le design, nous permettra de réaliser des expériences originales faisant intervenir simultanément électrons et photons.

La deuxième partie du projet vise à démontrer le potentiel de ce MET ultrarapide COHERENT sur trois applications avancées. Il s'agit de nanocathodoluminescence résolue en temps à l'échelle picoseconde (pTRCL), de spectroscopie de gain d'énergie d'électrons à haute résolution spectrale et spatiale (EEGS) et d'holographie électronique ultrarapide. Grâce à une augmentation de la brillance de 6 ordres de grandeurs, nous accéderons à la dynamique picoseconde de la luminescence d'émetteurs quantiques individuels, même lorsqu'ils sont placés dans des environnements complexes ou très denses, ce qui est hors de portée des meilleurs instruments disponibles aujourd'hui. Ceci devrait permettre de mieux connaître la physique des excitations optiques de ces systèmes confinés qui sont au centre de très nombreuses applications en photodétection, émission de lumière ou génération de photons uniques... Les expériences originales de spectroscopie de gain d'énergie que nous proposons vont également très au-delà de l'état de l'art en plasmonique et nano-optique. Enfin, nous réaliserons les premières expériences de microscopie électronique cohérente résolues en temps. Les aspects fondamentaux des expériences d'interférométrie électronique ultrarapides seront examinés en premier puis des expériences d'holographie électronique ultrarapide en nano-magnétisme et nanomécanique seront réalisées.

Le partenariat entre le CEMES et le LPS rassemble les compétences complémentaires indispensables pour surmonter les défis de ce projet. Ce projet apportera un instrument unique pour l'étude résolue en temps de phénomènes dynamiques dans de nombreux domaines tels que la nano-optique, la mécanique ou le magnétisme à l'échelle du nanomètre. Une telle avancée ouvrira de nouvelles routes en nanosciences, nanophysique et physique fondamentale.