Développement d'une nouvelle méthode d'analyse pour les matériaux nanométriques et quantiques
Utilisation de la microscopie électronique pour créer des films ultrarapides de processus nanométriques
Un film au ralenti sur les chaînes de télévision sportives montre des processus en centièmes de seconde. En revanche, les processus à l'échelle nanométrique se déroulent dans la gamme dite des femtosecondes : Par exemple, un électron n'a besoin que de milliardièmes de seconde pour graviter autour d'un atome d'hydrogène. Des physiciens du monde entier utilisent des instruments spéciaux pour capturer ces nanoprocessus ultrarapides dans des films. Des chercheurs de l'université de Kiel (CAU) ont mis au point une nouvelle méthode pour ces films, qui repose sur un concept physique différent et permet ainsi des options d'investigation plus poussées et plus précises. Pour ce faire, ils ont combiné un microscope électronique avec des films minces métalliques nanostructurés qui génèrent des impulsions lumineuses très courtes. Dans une première expérience, ils ont ainsi pu documenter les interactions cohérentes de la lumière et des électrons dans un semi-conducteur sur film. Leurs résultats sont publiés dans la célèbre revue scientifique Nature Physics.
Représentation schématique de la nouvelle méthode développée pour les microscopes électroniques sans laser En haut, un électron (trajectoire rouge) frappe la structure métallique en forme de tamis EDPHS ("electron-driven photon source") et génère une impulsion lumineuse (verte) en excitant des plasmons de surface. Celle-ci frappe l'échantillon semi-conducteur à la vitesse de la lumière et y excite des excitons. L'électron frappe l'échantillon un peu plus tard et génère des signaux de cathodoluminescence. La superposition ("interférence") de l'EDPHS et du rayonnement induit par les électrons de l'échantillon, montre l'interaction cohérente des électrons et des photons. Elle peut être détectée en projetant le motif lumineux total émis sur une caméra CCD.
© Masoud Taleb
La nouvelle méthode est plus simple et plus rentable
Jusqu'à présent, les films montrant des nanoprocessus ultrarapides étaient généralement produits à l'aide de lasers de grande puissance combinés à des microscopes électroniques. Mais seuls quelques groupes de recherche peuvent se permettre d'utiliser ces installations complexes et de grande taille. "Notre concept ne nécessite pas de lasers coûteux et compliqués et peut être facilement reproduit", explique Nahid Talebi, professeur de physique expérimentale au CAU.
Les microscopes électroniques regroupent les électrons dans un faisceau, l'accélèrent et le dirigent vers un échantillon de matériau. La façon dont les électrons traversent l'échantillon ou sont réfléchis permet de tirer des conclusions sur les propriétés des matériaux et les processus qui s'y déroulent. "Les microscopes électroniques ont une résolution spatiale nettement supérieure à celle des microscopes optiques et rendent possible les recherches à l'échelle du nanomètre", explique Mme Talebi. Grâce aux composants spéciaux qu'elle a développés, il est relativement facile d'améliorer également la résolution temporelle des microscopes électroniques et de les convertir en versions ultrarapides. Ainsi, les processus à l'échelle nanométrique peuvent désormais être capturés dans des films ultrarapides à l'échelle de la femtoseconde, sans laser.
Avec sa nouvelle publication, Mme Talebi ne fait pas que démontrer que sa méthode fonctionne. Avec son associé de recherche, le Dr Masoud Taleb, elle fournit également des preuves expérimentales d'interactions cohérentes entre les photons et les électrons dans un semi-conducteur, ce qui n'avait été décrit que théoriquement auparavant. Le matériau quantique diséléniure de tungstène, WSe2, utilisé à cet effet est issu d'une collaboration avec le professeur Kai Rossnagel dans le cadre du domaine de recherche prioritaire KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) de l'université de Kiel.
Un métal nanostructuré génère de courtes impulsions lumineuses
L'élément central du concept de Talebi est une nanostructure spéciale ressemblant à un tamis de cuisine. Elle peut être insérée dans un microscope électronique, où elle fonctionne comme une source de lumière, appelée "EDPHS" (electron-driven photon source). Lorsqu'un faisceau d'électrons frappe cette structure métallique, le motif de trous génère des impulsions lumineuses ciblées et courtes qui peuvent être utilisées pour réaliser des films rapides. Pour créer cette structure spéciale, les chercheurs ont percé de minuscules trous de 25 à 200 nanomètres dans une fine feuille d'or. Talebi avait calculé avec précision la taille et les distances, car les impulsions lumineuses ne se produisent qu'avec un certain motif de trous. Les "nanosièges" ont été fabriqués en étroite collaboration avec le Dr Mario Hentschel, du groupe de recherche du professeur Harald Giessen, de l'université de Stuttgart. Avec des collègues d'Amsterdam, Talebi avait auparavant modifié le microscope électronique pour qu'il puisse détecter la cathodoluminescence. Ces signaux lumineux sont générés lorsque des électrons rapides frappent un métal.
Interactions entre électrons et photons documentées dans des films
Dans l'expérience décrite dans la présente publication, les courtes impulsions lumineuses provenant des nanostructures en forme de tamis frappent l'échantillon de semi-conducteur à la vitesse de la lumière. Elles y excitent des excitons, appelés quasiparticules. Il s'agit d'électrons qui se sont détachés d'un atome et qui sont encore couplés au trou qu'ils ont créé ("paires électron-trou"). "Si, peu de temps après, le faisceau d'électrons plus lent frappe également l'échantillon de semi-conducteur, la réaction des électrons nous permet de voir comment les excitons se sont comportés entre-temps", explique Talebi.
Les signaux de cathodoluminescence résultant de la superposition du faisceau d'électrons et des impulsions lumineuses montrent une interaction cohérente entre les électrons et les photons.
Pour pouvoir capturer ces processus dans un film, les chercheurs ont également intégré un cristal piézoélectrique dans le montage du microscope. Cela leur permet de modifier avec précision la distance spatiale entre la source lumineuse et l'échantillon, et par là même la distance temporelle entre les impulsions lumineuses incidentes et les électrons. "De cette manière, des images peuvent être prises à différentes étapes du processus et assemblées en un film", résume M. Talebi.
De nombreuses années de travaux préliminaires
Lorsqu'elle était associée de recherche à l'Institut Max Planck pour la recherche sur les solides à Stuttgart, Mme Talebi travaillait déjà sur un concept permettant de créer des films femtosecondes avec le microscope électronique sans avoir recours à un laser. Afin de combiner les microscopes électroniques avec la lumière et d'augmenter ainsi leur résolution temporelle, elle a obtenu un financement du Conseil européen de la recherche (ERC) avec une subvention de démarrage ERC de 1,5 million d'euros. Depuis 2019, la physicienne théorique et expérimentale réalise son projet dans son propre groupe de recherche "Nano-Optique" au CAU. Ce domaine de recherche relativement jeune se concentre notamment sur les interactions entre la lumière et la matière à l'échelle nanométrique. Une meilleure compréhension de ce phénomène a, par exemple, déjà permis de créer des sources de lumière quantique particulièrement efficaces, qui peuvent être utilisées pour transmettre en toute sécurité des informations cryptées dans des circuits optiques.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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