COMPAS - vulgarisation scientifique

Centre de Vulgarisation de la Connaissance

Accueil > Conférences, visites de laboratoires > Comptes rendus des "jeudis de la recherche" > Voir et manipuler les atomes, Guillaume Baffou

Voir et manipuler les atomes, Guillaume Baffou

Jeudi 26 avril 2007, Laboratoire de Photophysique Moléculaire du CNRS, Faculté des sciences d’Orsay

jeudi 20 août 2009, par Séverine

Jeudi 26 avril 2007 : dernier jeudi de la recherche de la saison. Guillaume Baffou, qui termine actuellement sa thèse au laboratoire de Photophysique Moléculaire du CNRS à Orsay, a accueilli les participants pour leur raconter mais aussi leur montrer le tout petit monde des atomes !

Le monde microscopique en lumière

L’envie de découvrir ce que l’œil ne peut pas observer ne date pas d’hier. Dès que les progrès dans le travail du verre ont permis de fabriquer des lentilles de bonne qualité, les premiers microscopes optiques ont vu le jour. Quelques pionniers hollandais : Zacharias Jansen (v.1588- v.1631) à qui l’on attribue souvent la primeur de l’invention, Antoni von Leeuwenhoek (1632-1723), le père de la microbiologie moderne, auteur de bon nombre d’extraordinaires découvertes : microbes, cellules sanguines et autres spermatozoïdes… Le monde microscopique, au sens littéral du terme : de la taille du micron (millième de mm), livre ses secrets. Et qu’y a-t-il ensuite ? Pourquoi ne pas mettre en série plusieurs microscopes optiques pour grossir les détails 10.000, 100.000, 1 million de fois ? Parce que ça ne fonctionne pas ! La lumière est une onde et elle ne peut pas nous permettre d’observer des détails nets inférieurs à sa longueur d’onde (phénomène de diffraction). Pour la lumière visible, c’est effectivement de l’ordre du micron. Alors il faut utiliser d’autres sources pour les microscopes.

Eclairage électronique

C’est ce qu’a fait le scientifique allemand Ernst Ruska en inventant le microscope électronique en 1931. La lumière y est remplacée par des électrons fortement accélérés ; les lentilles par des champs électromagnétiques. Grâce à ces gros engins qui ne ressemblent plus du tout au microscope des écoliers (il faut y faire le vide), on peut obtenir de superbes images en relief de détails de quelques microns. Petit jeu de devinettes avec les participants à ce jeudi de la recherche : que sont ce tortillon qui ressemble au fil d’un téléphone, ces araignées microscopiques, ce fleuret pointu… ? Un filament d’ampoule, une gravure en relief faite au moyen d’électrons accélérés, un dard de moustique ! Mais avec un microscope électronique en transmission, on atteint aujourd’hui des résolutions subnanométriques (1 nanomètre = 1 milliardième de m) pour observer des transistors implantés sur une puce par exemple.

Le nanomonde

Il n’y a pas de microscope électronique au Laboratoire de Photophysique Moléculaire mais un microscope à effet tunnel ou STM (acronyme anglais de Scanning Tunneling Microscope). Formidable outil d’exploration du nanomonde capable d’effleurer une surface et d’en sentir le relief avec une précision nanométrique ! Le principe, nous explique Guillaume Baffou, est extrêmement simple. Une pointe très fine, dont l’extrémité se termine par un atome, est promenée quelques dixièmes de nanomètres au dessus d’une surface conductrice. Un courant électrique s’établit entre la surface et la pointe, que l’on peut mesurer. Ce courant passe à travers le vide (grâce à un phénomène quantique appelé « effet tunnel » qui a donné son nom au microscope) uniquement pour des écartements de la pointe et de la surface extrêmement faibles. En pratique, on déplace la pointe au-dessus de la surface en faisant varier sa hauteur de façon à maintenir ce courant constant. On obtient ainsi une carte du relief, que l’on code ensuite avec des couleurs pour obtenir une image. C’est au début des années 80 que le premier microscope à effet tunnel a livré ses images aux chercheurs suisses d’IBM-Zurich ; il fallait deux conditions techniques pour permettre cette prouesse : la possibilité de guider le mouvement de la pointe avec une précision suffisante grâce aux céramiques piézoélectriques (le pas des déplacements de la pointe atteint le millième de nm) et le traitement informatique qui va avec. Depuis, avec les microscopes à effet tunnel qui équipent de nombreux laboratoires de physique, on a pu obtenir des images de surfaces atomiques, de molécules déposées sur des surfaces et même avec la pointe déplacer les atomes un par un !

Enceinte du microscope à effet tunnel © LPPM

A la découverte du microscope à effet tunnel

Voilà pour la théorie exposée dans un des amphithéâtres du laboratoire. Et la pratique ? Deux étages plus bas, les visiteurs découvrent à quoi ressemble un microscope à effet tunnel. C’est un grand bâti, sous ultravide, connecté à de nombreuses pompes et instruments de mesure, recouvert de papier alu. Toujours intrigant pour qui ne sait pas, ce papier alu ! Pour décoller les molécules (azote, oxygène, eau…) collées sur les parois qui empêchent de faire efficacement le vide, il faut chauffer le dispositif et l’alu assure une bonne répartition de la chaleur… Guillaume Baffou détaille sur place son expérience : les deux chambres à vide, l’une où l’on prépare les surfaces, l’autre où on les étudie, le sas pour introduire les échantillons, la caméra pour une première approche de la pointe aux abords de la surface. Sur les murs, des images obtenues avec le STM. Au fond de la pièce, un autre STM, bien petit une fois sorti de son énorme enceinte à vide, révèle aux visiteurs tous les détails de sa mécanique de précision. Par exemple, les aimants qui permettent un amortissement des vibrations et qui font que l’on peut parler dans la pièce sans altérer la qualité des images obtenues !

Image d’une molécule de phtalocyanine sur une surface de carbure de silicium réalisée au Laboratoire de Photophysique Moléculaire. © Guillaume Baffou

La thèse de Guillaume Baffou porte sur les phénomènes d’émission de lumière qui peuvent être induits par l’interaction de la pointe et d’une molécule accrochée sur la surface. Ces travaux s’inscrivent dans la cadre d’une science émergente : l’électronique moléculaire. Les chercheurs essaient d’utiliser des molécules individuelles pour réaliser des tâches accomplies actuellement par des transistors qui arrivent au bout de leur chemin vers la miniaturisation.

A la rentrée, ce jeune chercheur partira un ou deux ans à l’étranger pour acquérir de nouvelles expériences et connaissances et espère bien revenir en France pour y devenir chercheur ou enseignant-chercheur.