Les diérentes productions de sources à atomes froids . 48

Maintenant que nous avons décrit le principe du refroidissement d'atomes dans le cas le plus général, nous allons nous attarder sur les expériences qui ont utilisé la technologie des atomes froids pour la réalisation d'une source de particules chargées pouvant être à terme utilisée pour l'instrumentation FIB ou FEB (Focused Electron Beam).

Quelques groupes se sont dirigés dans une nouvelle direction à la frontière des domaines de la physique atomique et de l'optique des particules chargées qui consiste à utiliser les atomes froids comme source ionique ou électronique. Le prochain paragraphe présentera un aperçu des réalisations de ces dernières années.

Les ions piégés

Tout d'abord, on peut parler de K. Singer et de son équipe à Ulm qui ont développé à partir d'un piège de Paul (ou de penning) une source mono-ionique d'ions calcium (Ca+) [43]. Il s'agit de charger dans un piège de Paul

un nuage d'atomes préalablement refroidis et ionisés par laser. Un astucieux système d'extraction permet d'obtenir un jet ionique constitués d'ions ex-traits un à un du piège de Paul. Ce jet passe ensuite par une lentille Einzel an de pouvoir le focaliser jusqu'à un rayon nal d'environ 4.6µm à une dis-tance de 25 cm du piège. La faible divergence angulaire et énergétique du jet obtenu ont permis d'observer la réduction des aberrations sphériques et chromatiques au niveau de la lentille optique.

Les électrons et la photoionisation

D'autres équipes utilisent les atomes froids an d'extraire un faisceau de particules chargées de bonne qualité, notamment pour exploiter les propriétés électroniques d'un tel faisceau.

C'est le cas de l'équipe de R. Scholten à Melbourne [44] en collaboration avec l'équipe de E.Vredenbregt à Eindhoven. A partir d'une source d'élec-trons froids créée par photo-ionisation à partir d'un MOT de rubidium, ils étudient la dynamique et la cohérence de paquets ultra-froids produits par ralentissement laser (g. 1.21). Leurs travaux cherchent à minimiser les eets coulombiens inhérents à une telle source an de créer un faisceau avec une cohérence temporelle et spatiale permettant la minimisation de la dirac-tion présente lors de l'utilisadirac-tion de faisceaux d'électrons dans les SEM. Pour cela, ils combinent leur source issue du MOT à un SLM (Ecran à cristaux liquides ou Spatial Light Modulator) qui permet de contrôler la distribution d'électrons présents dans le paquet.

Les ions et la photoionisation

L'équipe de E. Vredenbregt étudie également les faisceaux d'électrons et d'ions en mode pulsé [45]. Ils cherchent à étudier les mécanismes de formation de paquets ioniques visant à minimiser la dispersion en énergie (g. 1.22). Ils travaillent sur un MOT de rubidium et s'intéressent entre autres à la disper-sion en énergie longitudinale due aux eets stochastiques. Le nuage d'atomes est refroidi dans les trois dimensions de l'espace. Ensuite, il est ionisé en deux étapes par un laser d'excitation (λ=780 nm) et un autre d'ionisation (λ=479 nm). Enn les ions créés sont accélérés par deux électrodes et extraits de la zone de piège. L'équipe hollandaise démontre que des paquets d'ions de faible dispersion en énergie, de l'ordre de 20 meV, peuvent être produits. Elle montre également l'inuence de la charge d'espace pour sur les forts courants [46].

(a) (b)

Figure 1.21  Schéma de principe de l'expérience source d'électrons refroidis par laser de R. Scholten dont la gure est adaptée de [44]. Le piège magnéto-optique est cerné de deux électrodes extractrices, d'un SLM (Spatial Light Modulator) et d'un détecteur. Les électrons sont excités en canaux sélection-nant un prol spatial à l'aide du SLM qui permet le façonnage du faisceau laser. Un second laser vient ioniser les atomes qui sont ensuite extraits par champ électrique et détectés grâce une galette micro-canaux équipée d'un écran phosphore.

(a) (b)

Figure 1.22  Résultats de simulation issus de [45]. On observe la variation de la dispersion énergétique σu en fonction de l'énergie du faisceau pulsé U. An de rendre compte du contexte, l'impulsion de création des ions dure 2.5 ns. On en déduit que 1 fC correspond à 400 nA.

Ils démontrent notamment l'inuence temporelle du champ électrique d'extraction sur la focalisation du paquet d'ions produits. La dépendance temporelle façonne le paquet d'ions et permet de réduire la dispersion en énergie longitudinale. Ceci dans le but de trouver un compromis entre la brillance et la dispersion en énergie issue des interactions coulombiennes non négligeable à fort courant. C'est ainsi qu'ils ont obtenu une source pulsée avec un courant maximal dans le pulse estimé à 13 pA pour un ∆E de 0.9 eV avec un tension d'extraction à 800V [47].

Les travaux les plus avancés concernant les ions ont été obtenus par une équipe du NIST (National Institute of Standards and Technology) dirigée par J. McClelland. Dans un premier temps, l'étude de faisabilité d'une source d'ions chrome bâtie à partir d'un MOT et où les atomes étaient photo-ionisés avant d'être fortement accélérés a été démontrée [48] [49].Ils avaient ainsi obtenu un faisceau d'ions avec une émittance normalisée de 6.0.10−7

mm.mrad.^√M eV pour un courant de 0.25 pA, ce qui conduit à une brillance maximale à 2.25 A.cm−2.sr−1.eV−1, soit environ 50 fois moins qu'une LMIS. Leurs derniers travaux montrent le couplage d'une telle source à une optique ionique [50] [51]. Cette fois, leur choix s'est porté sur le lithium pour di-verses raisons notamment le faible poids du lithium qui permet de l'utiliser en imagerie SIM (g. 1.23). Bien qu'issue d'un MOT, cette démonstration de couplage d'une source d'ions ultra-froide est en mode continu. En eet, un

(a) (b)

Figure 1.23  Système FIB de lithium développé au NIST. Cette gure est adaptée de [50].

chargement continuel du piège magnéto-optique additionné à la production d'ions par photo-ionisation d'une partie du MOT ore la possibilité d'une source continue.

Ce système a permis l'imagerie de sphère de carbone par un jet d'ions lithium à 1pA dont l'énergie est de 2 keV. La taille de sonde obtenue par l'optique développée (une lentille Einzel et un tube d'accélération résistif qui limite les aberrations) est d'environ 27 nm (pour une variation de signal de 25-75 %).

1.3.3 Les limitations actuelles

Toutes ces récentes applications des atomes froids à l'univers des par-ticules chargées laissent présager de possibilités nouvelles dans le domaine. Le but recherché demeure l'obtention d'un faisceau de forte brillance et de faible dispersion en énergie. Pourtant, les diérentes idées développées pré-sentent quelques limitations pour l'utilisation d'atomes froids pour la réali-sation d'une source de particules chargées pour une colonne FIB.

Dans un premier temps, les courants extraits des diérentes sources pré-cédemment décrites restent encore limités. Des courants de quelques pA ne peuvent être ecacement exploités si on considère qu'une brillance compa-rable à celle de la LMIS, soit environ 106 A.cm−2.sr−1.eV−1, est recherchée. Ceci est principalement dû à l'utilisation d'un piège magnéto-optique comme source d'ions. En eet, il existe une limite concernant le taux de remplissage du MOT causée par le temps de nécessaire à recharger le MOT avec une vapeur qui doit être au préalable refroidie.

Une autre problématique demeure. En eet, à faible courant, les eets coulombiens sont moins contraignants. Les désagréments dus aux interac-tions coulombiennes n'ont pas besoin d'être optimisés. Pourtant, au vu des diérentes études en cours par les diérentes équipes décrites précédemment, ces eets ne sont pas négligeables. Ces eets plus sensibles et plus dicilement évaluables pour des courants plus forts demeurent une limite pour l'obten-tion d'une brillance susante pour la créal'obten-tion d'une source qui concurrence la LMIS.

En conséquence de ces eets coulombiens, une forte énergie d'extraction est nécessaire an d'en limiter les eets. Pourtant dans le cadre de la photo-ionisation, l'augmentation du champ d'extraction n'est pas sans conséquence, notamment concernant la dispersion en énergie.

La dispersion en énergie lors de la création des ions produit par la photo-ionisation est directement proportionnelle au champ d'extraction. Une même relation lie la dispersion en énergie à l'ionisation et la taille du faisceau laser incident [49],

∆E = eσ_ionE (1.16) où, σion est la largeur du faisceau laser dans une conguration où le laser d'ionisation est perpendiculaire à la propagation d'extraction des ions, E le champ électrique appliqué et e, la charge d'un ion. Cette relation est visible sur la gure 1.22 où la dispersion en énergie σu est proportionnelle à l'énergie du faisceau U.

Ainsi, on comprend que cette dispersion en énergie est limitée par le waist du laser qui lorsqu'il est de petite taille limite l'ionisation donc le courant disponible. De plus, cette dispersion est également liée au champ d'extraction qui doit être le plus faible possible alors que pour limiter les eets coulombiens et obtenir une bonne brillance, ce dernier doit avoir une valeur élevée.

Ce dilemme montre les limites de la photo-ionisation d'un MOT pour obtenir une source d'ions à fort ux et très brillante et de faible dispersion en énergie.

Une nouvelle approche est donc à envisager pour aller vers de plus forts courants.

1.3.4 Une nouvelle approche : le jet atomique continu