La diffraction d’hélium est une technique encore peu répandue, une dizaine de laboratoires seulement la possède à l’échelle mondiale, mais cette technique a déjà permis des progrès importants dans la compréhension de la structure et de la dynamique des surfaces et des films minces.
Son principe consiste à envoyer sur la surface à étudier un faisceau d’atomes d’hélium et d’analyser le faisceau réfléchi et diffracté par celle-ci. La meilleure façon de comprendre la répartition des atomes diffusés est de faire appel au caractère ondulatoire de cette particule-sonde. Dans la mesure où la masse d’un atome He est proche de celle d’un neutron, la diffraction d’hélium couvre parfaitement à la fois les longueurs d’ondes caractéristiques à l’échelle atomique et les énergies typiques des excitations vibrationelles (phonons) des matériaux solides.
Expérience RAMSES : Rétrodiffusion des Atomes et des Molécules sur les SurfacES
Cependant, contrairement aux neutrons, quasiment insensibles à la surface ou aux électrons lents, qui pénètrent le matériau sur quelques dizaines d’angströms (Å), les atomes d’hélium ne pénètrent absolument pas à l’intérieur de l’échantillon. La diffraction d’hélium est donc parfaitement bien adaptée à l’étude de la structure atomique et des excitations phononiques des surfaces. De plus, elle est non destructive et, là encore grâce à sa grande sensibilité, elle permet facilement d’étudier les défauts de surface, par exemple des marches, des lacunes ou des adatomes.
Au coeur de cette technique réside la production d’un jet intense d’atomes d’hélium (voir schéma ci-dessous) avec une vitesse (longueur d’onde) sensiblement égale pour tous les atomes. Ceci est obtenu par détente supersonique de l’hélium, initialement à une pression de 200 bars, au travers d’une tuyère de 20 micromètres. Dans ce processus, par suite de collisions multiples entre atomes He, la distribution de Maxwell-Boltzmann des vitesses des atomes dans le réservoir se resserre ; on obtient ainsi un jet à la fois intense et monochromatique, dont l’énergie peut facilement être accordée en changeant la température de la tuyère.
Valeurs typiques : 1000 m/s pour la vitesse, ce qui correspond à une énergie de 20 meV et à une longueur d’onde voisine de 1 Å.
Le faisceau ainsi produit est envoyé sur la surface de l’échantillon à étudier, lequel est fixé sur un manipulateur goniométrique lui-même placé dans une enceinte ultra-vide de sorte à éliminer la contamination de la surface. Le faisceau diffracté est finalement détecté par un spectromètre de masse.
