Percée dans la microscopie quantique
Des chercheurs rendent les électrons visibles au ralenti
Des physiciens de l'université de Stuttgart, sous la direction du professeur Sebastian Loth, développent une microscopie quantique qui leur permet pour la première fois d'enregistrer le mouvement des électrons au niveau atomique avec une résolution spatiale et temporelle extrêmement élevée. Leur méthode pourrait permettre aux scientifiques de développer des matériaux de manière beaucoup plus ciblée qu'auparavant. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la célèbre revue "Nature Physics".
"Avec la méthode que nous avons développée, nous pouvons rendre visibles des choses que personne n'avait vues auparavant", explique le professeur Sebastian Loth, directeur général de l'Institut de la matière fonctionnelle et des technologies quantiques (FMQ) de l'université de Stuttgart. "Cela permet de répondre à des questions sur le mouvement des électrons dans les solides qui sont restées sans réponse depuis les années 1980". Cependant, les résultats obtenus par le groupe de Loth ont également une importance très pratique pour le développement de nouveaux matériaux.
De minuscules changements aux conséquences macroscopiques
Dans les métaux, les isolants et les semi-conducteurs, le monde physique est simple. Si l'on modifie quelques atomes au niveau atomique, les propriétés macroscopiques restent inchangées. Par exemple, les métaux ainsi modifiés restent conducteurs d'électricité, alors que les isolants ne le sont pas. La situation est toutefois différente pour les matériaux plus avancés, qui ne peuvent être produits qu'en laboratoire : Des modifications minimes au niveau atomique entraînent un nouveau comportement macroscopique. Par exemple, certains de ces matériaux passent soudainement du statut d'isolant à celui de supraconducteur, c'est-à-dire qu'ils conduisent l'électricité sans perte de chaleur. Ces changements peuvent se produire extrêmement rapidement, en l'espace de quelques picosecondes, car ils influencent le mouvement des électrons dans le matériau directement à l'échelle atomique. Une picoseconde est une durée extrêmement courte, juste un trillionième de seconde. Elle est aussi proportionnelle à un battement de cils qu'un battement de cils à une période de plus de 3 000 ans.
Enregistrer le mouvement de l'électron collectif
Le groupe de travail de Loth a maintenant trouvé un moyen d'observer le comportement de ces matériaux lors de changements aussi minimes au niveau atomique. Plus précisément, les scientifiques ont étudié un matériau composé des éléments niobium et sélénium dans lequel un effet peut être observé de manière relativement stable : le mouvement collectif des électrons dans une onde de densité de charge. Loth et son équipe ont étudié comment une seule impureté peut arrêter ce mouvement collectif. Pour ce faire, les chercheurs de Stuttgart appliquent au matériau une impulsion électrique extrêmement courte, qui ne dure qu'une picoseconde. L'onde de densité de charge est pressée contre l'impureté et envoie des distorsions de taille nanométrique dans le collectif d'électrons, ce qui provoque un mouvement d'électrons très complexe dans le matériau pendant un court laps de temps. D'importants travaux préliminaires aux résultats présentés ici ont été réalisés à l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide (MPI FKF) à Stuttgart et à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, où Loth menait des recherches avant d'être nommé à l'université de Stuttgart.
Développer des matériaux aux propriétés souhaitées
"Si nous parvenons à comprendre comment le mouvement du collectif d'électrons est stoppé, nous pourrons également développer de manière plus ciblée des matériaux présentant les propriétés souhaitées", explique M. Loth pour expliquer le potentiel de ces résultats. En d'autres termes, il n'existe pas de matériaux parfaits sans impuretés : Comme il n'existe pas de matériaux parfaits sans impuretés, la méthode de microscopie mise au point permet de comprendre comment les impuretés doivent être disposées pour obtenir l'effet technique souhaité. "La conception au niveau atomique a un impact direct sur les propriétés macroscopiques du matériau", explique Loth pour décrire l'importance des résultats de la recherche. L'effet pourrait être utilisé, par exemple, pour des matériaux de commutation ultrarapides dans de futurs capteurs ou composants électroniques.
Une expérience répétée 41 millions de fois par seconde
"Il existe des méthodes établies pour visualiser les atomes individuels ou leurs mouvements", explique Loth. "Mais ces méthodes permettent d'obtenir soit une haute résolution spatiale, soit une haute résolution temporelle. Pour que le nouveau microscope de Stuttgart puisse atteindre ces deux objectifs, le physicien et son équipe combinent un microscope à effet tunnel, qui résout les matériaux au niveau atomique, avec une méthode de spectroscopie ultrarapide connue sous le nom de spectroscopie pompe-sonde.
Pour effectuer les mesures nécessaires, le laboratoire doit être extrêmement bien protégé. Les vibrations, le bruit et les mouvements d'air sont nuisibles, tout comme les fluctuations de la température et de l'humidité de la pièce. "En effet, nous mesurons des signaux extrêmement faibles qui se perdent facilement dans le bruit de fond", souligne M. Loth. En outre, l'équipe doit répéter ces mesures très souvent pour obtenir des résultats significatifs. Les chercheurs ont réussi à optimiser leur microscope de manière à ce qu'il répète l'expérience 41 millions de fois par seconde et obtienne ainsi une qualité de signal particulièrement élevée. "Nous sommes les seuls à avoir réussi à le faire jusqu'à présent", déclare Loth.
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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