microscopie électronique

Sur la table repose un mille-feuille d'écailles de nitrure de bore hexagonal, un matériau qui ressemble au graphite mais composé d'atomes de bore et d'azote. On transfère délicatement une écaille sur une autre, et dans la zone où elles se chevauchent, après un passage au four sous oxygène, naissent de brillantes sources de lumière uniques.

La lumière arrache des électrons au cristal, et ils s'envolent vers le détecteur comme des flèches vers une cible. En suivant leurs trajectoires, les physiciens reconstituent la vie des électrons à l'intérieur du matériau : avec quelle énergie et dans quelle direction ils se déplaçaient.

Le faisceau d'un microscope électronique voyage habituellement dans le vide, comme un coursier sur une autoroute déserte. Toute molécule d'air est pour lui une bosse qui le fait tressauter et perdre sa direction. C'est pourquoi, auparavant, pour examiner un échantillon, on le congelait, le séchait ou le recouvrait de métal, et on ne regardait toujours que sous vide.

Le microscope électronique est un orgue géant : au lieu des tuyaux, des lentilles électromagnétiques ; au lieu de l'air, un flux d'électrons accélérés. Autrefois, il ne faisait que dessiner des fresques muettes du monde atomique, condamnant les scientifiques à un déchiffrage épuisant.

Un détecteur rempli d'hélium-4 superfluide ressemble à un lac parfaitement calme. Le liquide ne clapote pas, ne bouillonne pas — il est figé dans un état quantique unique. Un visiteur invisible le traverse — une particule de matière noire. Elle-même n'émet pas de lumière et ne laisse aucune trace.

À la surface d'un film mince d'oxyde de bismuth-fer, on distingue de fines stries régulières, comme les sillons d'un champ labouré. Ce qui se trame en dessous était jusqu'ici un mystère.

Une minuscule étoile d'or fond sous le faisceau d'un microscope électronique, et ses branches s'arrondissent lentement. Autrefois, un tel processus ne pouvait être observé que par images fixes prises à de longs intervalles, et le faisceau lui-même modifiait l'échantillon.

Une feuille de papier ordinaire paraît blanche parce qu'elle diffuse tous les rayons de manière chaotique. En revanche, l'aile d'un papillon scintille de bleu et de vert sans une seule goutte de peinture : sa surface est couverte de microsillons qui éteignent certaines ondes lumineuses et en amplifient d'autres.

Régler sa radio sur sa station préférée, c'est chercher la bonne fréquence parmi le bruit. Le nouvel instrument fait de même, mais pour des ondes d'environ trois millimètres de long. Ces ondes proviennent de galaxies lointaines et, peut-être, de particules de matière noire.

Un accélérateur classique ressemble à une chaîne de montage où les électrons sont des pièces brutes. Pour obtenir l'impulsion de rayons X souhaitée, on ajuste longuement la pièce après le lancement : on la comprime, on la filtre, on la corrige. Dans ces nouveaux travaux, les ingénieurs ont choisi une approche différente : donner sa forme à la pièce avant même qu'elle n'entre sur la chaîne.

Une rivière coule dans un sens, mais les vagues à sa surface se déplacent dans l'autre. Ce même dédoublement se produit dans les matériaux hyperboliques : l'énergie de l'onde lumineuse et ses fronts divergent, empêchant la création d'une lentille nette.

Les ondes radio qui oscillent moins d'une fois par seconde traversent la terre et l'eau presque sans perte. De tels signaux sont utilisés pour communiquer avec les sous-marins et pour la prospection minière. Mais une antenne classique devrait mesurer des centaines de mètres pour les capter, et sa sensibilité laisse à désirer.

Dans un morceau d'oxyde de manganèse épais de quelques couches atomiques, les électrons se comportent comme une foule dans un escalator : chacun suit ses propres règles, mais ensemble ils créent un flux commun. Les physiciens ont dirigé un rayonnement X mou sur ce film et en ont arraché des électrons.

La radiothérapie, c'est un peu comme tirer sur une petite cible avec un fusil de très gros calibre : même un tir précis touche une large zone autour. L'épaisseur de la « trace » — on l'appelle la pénombre — est de 2 à 3 millimètres pour les appareils standard.

La lumière n'est pas simplement un rayon, c'est une onde dont le champ électrique varie à une vitesse inimaginable pour nos horloges ordinaires. Jusqu'à présent, on ne pouvait mesurer ce champ qu'en un seul point, comme on mesure la température avec un seul thermomètre.

Une radiographie de batterie ressemble à une photo prise à travers un verre dépoli : les petits détails se fondent en une tache grise. La cause est la limite du détecteur lui-même, qui ne distingue pas les détails plus petits que son pixel.

Un flux d'électrons peut être comparé à un faisceau de pointeur laser : s'il diverge, la tache sur le mur s'étale rapidement. En laboratoire, des physiciens ont créé un faisceau si étroit qu'il restait fin sur une grande distance, comme le faisceau d'un bon pointeur.

Le faisceau d'un laser traverse le verre et touche un mince film de diamant. Au point de contact, le film se transforme en une étroite bande qui se soulève légèrement. On place une deuxième bande de ce type à côté, et il reste entre elles un couloir vide. C'est cela, le canal : sa largeur peut être cinquante fois plus grande que sa hauteur, comme une feuille de papier posée sur une table.

Une cellule cardiaque dans une boîte de Pétri se contracte — et à ce moment précis, une onde électrique parcourt sa surface. Avant, pour la capturer, on plantait dans la cellule une aiguille-électrode ultrafine. Maintenant, il suffit de la regarder au microscope. La méthode s'appelle l'enregistrement électrochrome.

Les rayons X des étoiles ne se capturent pas avec un miroir ordinaire : ils traversent le verre comme la lumière traverse une vitre. Pour les réfléchir, il faut un miroir presque parallèle au faisceau : alors les rayons glissent sur la surface comme un galet plat sur l'eau, et ne changent que légèrement de direction.

Une imprimante 3D classique extrud du plastique comme un pâtissier poche de la crème. Ici, au lieu du plastique, c'est la lumière. Un faisceau laser dessine dans une résine liquide, la faisant durcir aux points voulus. Ainsi naissent des pièces invisibles à l'œil nu. Jusqu'ici, ces imprimantes étaient lentes : le faisceau rampait sur la surface comme une plume sur le papier.

L'anatomopathologiste regarde dans l'oculaire et voit une coupe de tissu rose-violet — c'est ainsi que se présente la coloration classique à l'hématoxyline et à l'éosine. Les colorants se lient aux noyaux et au cytoplasme, et c'est par la couleur que le médecin juge de la maladie. Mais la préparation de la lame elle-même prend des heures : fixation, inclusion en paraffine, section, coloration.

Une imprimante qui n'utilise pas d'encre mais du métal et de la céramique, c'est désormais une réalité. Des scientifiques ont pris une simple goutte d'eau contenant des sels métalliques dissous et l'ont amenée à déposer sur une surface tantôt du cuivre, tantôt de l'oxyde de zinc, tantôt de l'hydroxyde de nickel.

Une caméra qui voit l'ultraviolet coûte généralement le prix d'une belle voiture. Tout cela parce qu'elle nécessite un cristal spécial et une usine complexe.

Un film mince de dioxyde de thorium, d'une épaisseur de seulement 10 nanomètres, est déposé sur un disque d'acier. Une impulsion laser le frappe, mais au lieu de la luminescence attendue, le détecteur capte un flux d'électrons.