How big is Plus petite chose visible au microscope électronique?

Un microscope électronique forme des images à l'aide d'un faisceau d'électrons plutôt que de lumière, et il peut montrer des atomes isolés. En 2026, les meilleurs microscopes électroniques distinguent des détails séparés d'environ 20 picomètres, soit environ un cinquième de la largeur d'un atome d'hydrogène. Un picomètre est un billionième de mètre.

Taille

Ce chiffre correspond à une résolution, et non à la taille d'un objet. La résolution d'un microscope est la plus petite distance à laquelle deux points apparaissent encore comme deux points distincts, et non comme une tache unique. Les plus petites choses qu'un microscope électronique permet de voir sont des atomes isolés, et les meilleurs instruments distinguent aujourd'hui des détails séparés d'une fraction de la largeur d'un atome.

Des défauts dans les lentilles magnétiques qui focalisent le faisceau d'électrons ont longtemps limité les images les plus nettes à environ 100 picomètres. Des correcteurs de lentilles ont changé cela. En 2008, le Lawrence Berkeley National Laboratory a dévoilé TEAM 0.5, un microscope conçu pour atteindre un demi-angström, soit 50 picomètres. Son équipe a ensuite signalé avoir distingué des paires d'atomes de germanium séparées de 47 picomètres.

Une méthode informatique appelée ptychographie électronique a ensuite repoussé ce record. Une équipe de l'université Cornell a atteint 39 picomètres en 2018, puis environ 20 picomètres en 2021. En 2024, une équipe de l'université Tsinghua, en Chine, a signalé des détails allant jusqu'à 14 picomètres, avec une autre méthode de mesure de la résolution. Le record exact dépend de la façon dont la résolution est mesurée.

Comparaisons de taille

Un atome d'hydrogène, large d'environ 0,1 nanomètre, est environ cinq fois plus large que le plus petit détail que ces microscopes distinguent.
Si un atome d'hydrogène était agrandi à la taille d'un ballon de basket, soit environ 24 centimètres de diamètre, le microscope pourrait distinguer des détails séparés d'environ 4,5 centimètres.
Un microscope optique ordinaire ne peut pas distinguer des détails séparés de moins d'environ 0,2 micromètre. C'est 10 000 fois la distance que les meilleurs microscopes électroniques peuvent distinguer. Un micromètre est un millionième de mètre.
Vingt picomètres, c'est 0,2 angström. Les liaisons entre atomes mesurent généralement de 1 à 2 angströms, soit 5 à 10 fois la longueur du plus petit détail distingué.
Environ 4 à 5 millions des plus petits détails distinguables tiendraient sur la largeur d'un cheveu.

Pourquoi les électrons montrent des détails plus fins que la lumière

Les microscopes classiques ne peuvent pas distinguer des détails beaucoup plus petits que la longueur d'onde de ce qu'ils utilisent pour voir. Une longueur d'onde est la distance entre deux crêtes successives d'une onde. Pour un microscope optique ordinaire, cette limite est d'environ 0,2 micromètre, comme l'a établi le microscopiste Ernst Abbe en 1873.

Les électrons se comportent eux aussi comme des ondes, avec des longueurs d'onde bien plus courtes que celles de la lumière. Les électrons rapides utilisés dans nombre de ces microscopes ont une longueur d'onde d'environ 2 picomètres. En principe, cela permettrait des détails bien plus fins que ceux que la lumière pourrait jamais révéler. En pratique, des lentilles imparfaites ont longtemps empêché les microscopes électroniques d'atteindre cette limite, et des correcteurs ainsi que des méthodes informatiques ont depuis réduit cet écart.

Comment sont réalisées les images les plus récentes

La ptychographie électronique ne repose pas uniquement sur des lentilles. Le microscope balaie l'échantillon avec son faisceau selon des points qui se chevauchent, et enregistre la façon dont les électrons se dispersent à chacun d'eux. Des algorithmes informatiques déterminent ensuite quelle forme d'échantillon produirait ces motifs, puis reconstruisent l'image à partir de ces données.

Les images de 2021 réalisées à Cornell montraient un cristal grossi 100 millions de fois. À cette résolution, le principal flou restant provient des atomes eux-mêmes, qui vibrent en permanence sous l'effet de la chaleur. Le responsable de l'équipe, David Muller, a décrit cela comme, dans les faits, une limite ultime de résolution.