Pour des images tridimensionnelles à l'échelle du nanomètre: depuis 14 ans, des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer (PSI) à Würenlingen et Villigen développent des méthodes dites de microscopie en collaboration avec les écoles polytechniques fédérales de Lausanne et Zurich ainsi que l'University of Southern California. Ceci dans le laboratoire de macromolécules et de bioimagerie.
Récemment, ils ont réussi quelque chose d'extraordinaire: prendre des photos de puces informatiques ultramodernes avec une résolution de quatre nanomètres, c'est-à-dire quatre millionièmes de millimètre – c'est un record mondial. Pour leurs prises de vue, les chercheurs ont utilisé la ptychographie: un procédé informatique qui réunit de nombreuses images individuelles en une image à haute résolution.
Grâce à un temps d'exposition plus court et à un algorithme optimisé, ils ont pu battre nettement leur propre record mondial de 2017. Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé les rayons X de la Source de Lumière Synchrotron Suisse SLS du PSI, comme l'indique un communiqué.
Les puces informatiques sont des merveilles de la technique: il est aujourd'hui possible de placer plus de 100 millions de transistors par millimètre carré dans les circuits intégrés les plus modernes – et la tendance est à la hausse. Mais ce n'est pas seulement la production qui est difficile, c'est aussi la caractérisation et la représentation des structures produites. Pour rappel, chaque transistor est comme un petit interrupteur qui permet d'effectuer des calculs. Plus il y a de transistors, plus l'ordinateur peut effectuer d'opérations par seconde, ce qui le rend plus rapide et plus performant.
Certes, les microscopes électroniques à balayage permettent une résolution de quelques nanomètres et sont donc bien adaptés pour représenter les minuscules transistors et connexions métalliques qui composent les circuits. Cependant, ils ne permettent de produire que des images bidimensionnelles de la surface.
La tomographie à rayons X, en revanche, permet de produire des images tridimensionnelles et non destructives. Comme lors d'un examen tomographique à l'hôpital, l'échantillon est tourné et traversé par des rayons X sous différents angles. Selon la structure de l'échantillon, le rayonnement est absorbé et diffusé différemment. Un détecteur enregistre la lumière qui en sort et un algorithme reconstruit l'image 3D finale.
Seulement, «c'est là que nous avons un problème de résolution», explique Mirko Holler, physicien à la SLS:
La solution s'appelle la ptychographie. Dans ce procédé, le faisceau de rayons X n'est pas focalisé à l'échelle nanométrique, mais l'échantillon est déplacé à l'échelle nanométrique:
Il est ainsi possible d'enregistrer suffisamment d'informations pour reconstruire l'image de l'échantillon en haute résolution à l'aide d'un algorithme. Le processus de reconstruction est en quelque sorte une lentille virtuelle.
Afin de battre le record mondial de 2017 – la représentation spatiale d'une puce informatique avec une résolution de 15 nanomètres – l'équipe de Mirko Holler et Manuel Guizar-Sicairos a été complétée par Tomas Aidukas. Le physicien a soutenu l'équipe avec son expérience en matière de programmation. Aidukas a développé un nouvel algorithme permettant de reconstruire un résultat net avec une forte proportion de lumière à partir du flot d'images brièvement exposées.
Cette nouvelle méthode de ptychographie est une approche fondamentale qui peut également être utilisée dans des instituts de recherche comparables. En résumé, cette avancée scientifique permet de visualiser la matière à une échelle extrêmement petite, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour la recherche et le développement technologique. Elle pourrait contribuer à révolutionner de nombreux domaines, de l'électronique à la biologie, en passant par la médecine. (chmedia)
