Notice of DISCO

HERMES est une ligne de phase III dédiée à la microscopie X. Elle permet de combiner deux types de microscopie. L’une de type Photon-Photon: la microscopie STXM. La deuxième est une technique de type Photon-Electron : La microscopie X-PEEM. Cette approche originale permet d’offrir à la communauté d’utilisateurs deux techniques très complémentaires, chacune adaptée à des thématiques scientifiques et à des environnements échantillons particuliers. La microscopie STXM permet principalement de sonder les propriétés de volume des échantillons avec des profondeurs d’analyse de l’ordre de quelques centaines de nanomètres. La microscopie X-PEEM est quant à elle une technique de surface, adaptée à un environnement ultravide, elle permet de sonder principalement les premiers nanomètres de la surface. Les deux microscopes opèrent dans la même gamme d’énergie avec des résolutions spatiales inférieures à 25nm. Les deux techniques exploitent la spectroscopie en rayons X pour l’imagerie et comme moyen de contraste, en l’occurrence un contraste chimique. Parallèlement, d’autres moyens de contraste peuvent se rajouter en exploitant directement les spécificités des techniques spectroscopiques. Ainsi, l’utilisation de la polarisation circulaire et linéaire de la lumière permet d’imager directement les domaines magnétiques, ferromagnétiques et antiferromagnétiques (XMCD et XMLD)... Finalement les deux méthodes peuvent être utilisées non pas uniquement pour imager des échantillons, mais aussi pour réaliser des mesures en spectroscopie locale (XAS, XANES, XPS, ARPES...) à une échelle nanoscopique.

Du fait de la complémentarité technique des deux microscopes, le programme scientifique de la ligne HERMES est très vaste et touche plusieurs communautés. Il est défini dans l’APS de la ligne et a reçu la validation du conseil scientifique de SOLEIL. Le programme couvre notamment les thématiques suivantes (pour plus de détails se rapporter à l’APS de la ligne) :

• Magnétisme : Ce programme est principalement orienté vers l’étude des nanostructures et des matériaux magnétiques. Les études demandées couplent aussi bien les expériences d’imagerie que de spectroscopie locale. Cette thématique bénéficie directement de l’utilisation des polarisations circulaire et linéaire de la lumière synchrotron. Les aspects dynamiques (sous champ, courant induit,..) constitue aussi une grande attente de la communauté d’utilisateurs. Il y a d’autre part un fort intérêt pour les mesures en température, notamment pour s’adapter aux températures de Curie et de Néel des matériaux (150K-1000K). Plusieurs sujets sont développés sur la ligne : Electronique de spin, Jonction tunnel magnétique, anisotropie de couplage d’échange, nanostructuration et effet de taille, Système à ordres multiples (Multiferroïque…), Oxydes antiferromagnétiques, dynamique d’aimantation…
   
• Surface et Interface : Cette thématique est exclusivement développée sur le microscope X-PEEM. La combinaison de la microscopie LEEM (Low Energy Electron Microscopy) et X-PEEM permet d’étudier in-situ et sur le même échantillon la structure, la morphologie, la chimie et les propriétés électroniques des surfaces et interfaces. Plusieurs problématiques peuvent ainsi être abordées : Croissance de couches minces, Catalyse et chimie des surfaces, magnétisme, surfaces semi-conductrices…
   
• Nanomatériaux : Avec des aspects chimie, surface, matériaux durs, … là aussi forte demande de développement du couplage imagerie-spectroscopie locale, notamment les spectroscopies locales XPS, XAS, XANES… De façon générale cette thématique couvre l’étude des effets de basse dimensionnalité et d’auto-organisation sur les propriétés et la structure électronique des nanomatériaux.
   
• Matière molle et polymères : Ce programme va bénéficier principalement des possibilités uniques de mesure à la fenêtre de l’eau (seuils K Carbone, Azote, Oxygène..). Ce programme nécessite aussi la réalisation de montages spéciaux pour l’étude d’échantillons hydratés (‘’Wet Cell ‘’, microfluidique,…). Finalement l’utilisation de la polarisation de la lumière permet de remonter localement à l’orientation des molécules lorsqu’elles sont greffées sur des surfaces par exemple.
   
• Sciences de l’environnement et de la Terre : Ce programme allie les aspects minéralogiques et spectroscopiques de la microscopie STXM et profitera pleinement de la grande ouverture énergétique de la ligne. Plusieurs aspects sont abordés avec des frontières communes aux autres programmes notamment pour les parties bio-minéralisation, toxicité, chimie et nanostructure. Une attention particulière aux aspects spectroscopie locale notamment au seuil du carbone.
   
• Biologie et médecine : Ce programme est relativement large et s’appuie aussi bien sur les aspects caractérisation structurelle (noyau cellulaire, bactérie, micro-organisme,..), identification et co-localisation chimique et de configuration que sur les aspects labellisation et translocation. Ce programme devrait bénéficier de façon significative du développement de la cryogénie et de la micro-fluidique.

Le tableau ci-dessous rassemble les besoins spécifiques de chacun de ces programmes.

La ligne HERMES est installée sur une section moyenne (IM9). La ligne couvre la gamme d’énergie 70eV-2.5keV de façon à couvrir les besoins des programmes scientifiques de la ligne. En effet la ligne démarre juste en-dessous du seuil Si2p, couvre la gamme des seuils K des éléments légers (C, N, O..), les seuils L des métaux de transition, les seuils M des terres rares et finalement les seuils K du Si, S et P. En outre, la ligne permet de travailler avec la polarisation linéaire tournante (Horizontale à verticale), circulaire et elliptique.
Pour ce faire, la ligne dispose de deux onduleurs de type Apple-II: HU64 pour la partie basse énergie (1.7m, 25 périodes) couvrant la gamme 70-600eV. HU42 (1.8m, 42 périodes) pour la partie haute énergie 0.5-2.5keV.

Figure 1 : Calculated flux for the HU64 aperiodic (Bleu) and the HU42 (Rouge) Undulators

La ligne se décompose ensuite en cinq sections contenants :

• Chambre miroir M1, défléchi le faisceau et absorbe la plus grande partie de la puissance thermique. 
• Monochromateur VLS-VGD et multicouche. Il permet de combiner les deux types de monochromateurs de façon à couvrir toute la gamme d’énergie avec une bonne efficacité et une très bonne résolution, toute en gardant le même chemin optique.
• Chambre de miroir de déflection M4,M5. Les miroirs permettent de défléchir le faisceau vers respectivement la banche X-PEEM et STXM
• La branche X-PEEM. Le faisceau est focalisé à l’aide d’optique Kirk Patrick-Baez pour obtenir un faisceau de 7x25µm² au point de travail du microscope X-PEEM
• La branche STXM. Cette branche contient un système de fente déterminant la source secondaire pour les optiques ZP ainsi que le microscope STXM.

Tout au long de la ligne sont disposés des systèmes de diagnostique de faisceau.

Figure 2 : Implantation HERMES

Figure 3 : Synoptic of the beamline