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De nouvelles images de la matière à l’échelle sub-atomique grâce au "microscope à atomes"

par Hocine Khemliche, Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay

vendredi 11 octobre 2013, par Séverine

Les curieux du jeudi de la recherche se sont donné rendez-vous ce mois-ci à l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay. « Quoi de mieux que nos yeux pour étudier et comprendre le monde qui nous entoure ? » pouvait-on penser au départ. Mais avec l’avancée des connaissances, de nouveaux outils ont été nécessaires pour l’observation d’objets de plus en plus petits. Comment voir à l’échelle des atomes, et comment comprendre la matière dans son caractère « quantique » à une échelle sub-atomique ? C’est ce qu’Hocine Khemliche, chercheur à l’Institut des Sciences Moléculaires, va leur faire découvrir.

Observer la matière, c’est d’abord la voir.

Pour cela le chercheur dispose du microscope optique, fonctionnant en réflexion ou en transmission. Cependant ce dispositif est limité par la diffraction, ne permettant pas l’observation de petits objets (≤ 0.2µm). On observe ce phénomène de diffraction par exemple dans le dispositif des 2 fentes d’Young. En éclairant deux fentes très fines avec un laser ou avec un faisceau de particules, la figure obtenue sur l’écran est une alternance de franges claires et sombres. Cette figure est directement liée au phénomène de diffraction.

JPEGJPEG Schéma du montage des fentes Young et figure de diffraction de la lumière obtenue sur l’écran.Source Maxicours.fr

H. Khemliche réalise une expérience de diffraction simple dans la salle à l’aide d’une grille de nickel comportant un réseau de trous de 5 microns et de 2 lasers, de 2 longueurs d’ondes différentes : un vert et un rouge. La grille ne permet de transmettre que 1 % de la lumière. La figure observée lors de l’éclairement par le laser vert comporte un réseau de taches plus rapprochées qu’avec le laser rouge car λvert < λrouge. Au fur et à mesure que la longueur diminue, les taches finissent par se superposer pour éventuellement n’en faire qu’une. L’observation en dessous de la limite posée par le microscope optique nous place à une échelle nanométrique où les objets ont des comportements étranges : on passe de la mécanique classique à la mécanique quantique.

Observer la matière, c’est aussi la perturber !

Observer la matière, c’est la perturber et la réponse de la matière va dépendre de la nature de cette perturbation. Par exemple, on peut identifier le matériau d’une cloison en frappant à sa surface et en analysant le son émis. Ce genre d’analyse est un CND (Contrôle Non Destructif des matériaux). La matière d’un objet est sondée par un émetteur. Sa réponse est ensuite analysée et interprétée par un détecteur, pour donner accès aux caractéristiques de l’objet. Cependant, lorsque les observations sont faites à très petite échelle, les effets de la mécanique quantique se font sentir ! Le premier effet remarquable de la mécanique quantique sur les observations de la matière est la dualité onde-corpuscule. Ce principe introduit par Louis de Broglie, après les travaux d’Albert Einstein sur l’effet photoélectrique, stipule que toute particule de matière peut être décrite comme une onde. La seconde caractéristique étonnante des objets quantiques est l’effet tunnel. Grâce à l’effet tunnel, un petit objet, comme un électron, pourra s’échapper d’un puits de potentiel sans avoir l’énergie nécessaire pour en sortir de manière « classique ».

Principe de l’effet tunnel

Grâce à un nouveau type de microscope : le microscope à effet tunnel (STM), on peut enfin « voir » les atomes. La pointe du microscope, portant en son extrémité un atome unique, détecte la densité électronique des atomes sur une surface et peut par la suite en dessiner le profil. En effet, le courant tunnel généré à la pointe du microscope ne passe qu’à très faible distance entre la pointe et la surface étudiée. On a donc accès à la topographie microscopique d’une surface ! Mais dispose-t-on d’autres outils pour observer la matière de plus près et à de plus petites échelles ? Le microscope électronique est un outil largement utilisé. Pour comprendre son fonctionnement, on peut faire l’analogie avec le microscope optique classique dans lequel la lumière serait remplacée par des électrons. D’après le postulat de Louis de Broglie, la longueur d’onde d’un faisceau de particules est inversement proportionnelle à la masse et la vitesse des particules, ici les électrons. Cependant pour observer la matière à des échelles encore plus petites, il faut abaisser encore la longueur d’onde et un moyen de le faire est donc de jouer sur la nature des particules envoyées.

Un microscope à l’hélium

L’équipe du Dr H. Khemliche a récemment mis au point une microscopie utilisant des atomes d’hélium rapides. Ceux-ci sont en effet plus lourds que les électrons utilisés précédemment en microscopie électronique et sont envoyés bombarder les surfaces à 155 km/s ! Ce qui permet d’obtenir une onde de très petite longueur d’onde λHe. Cependant λHe étant plus petite que les paramètres de maille, la diffraction devient beaucoup plus difficile à observer, ce d’autant plus que les vibrations du réseau cristallin, d’une amplitude supérieure à λHe, ont pour conséquence de brouiller le réseau. C’est donc de manière tout à fait inattendue que les chercheurs ont pu observer ce phénomène, révélant notre mauvaise intuition de la mécanique quantique. Cette technique permet en particulier l’observation des zones interatomiques dans les réseaux cristallins .

Principe de la diffraction des atomes d’hélium. © H. Khemliche

Cette technique permet de « voir » les atomes autrement : par diffraction d’atomes rapides. La figure de diffraction obtenue après bombardement des atomes d’hélium donne accès à la période du réseau et au profil de la densité électronique, via l’intensité des raies de diffraction. On peut donc reconstruire une topologie de la surface et même déterminer la nature d’un cristal (grâce aux paramètres de réseau caractéristiques). Par rapport au STM, la zone observée est beaucoup plus importante et l’acquisition de l’image se fait en une fois. C’est donc un outil novateur et puissant pour l’étude des phénomènes surfaciques.

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Figure de diffraction obtenue par observation d’une couche d’arsenure de gallium à 570 °C obtenue par microscopie à atomes d’hélium rapides et illustration de la topologie d’un feuillet de graphène (matériau constitué d’un plan atomique de carbone) . © H. Khemliche.

La fabrication de semi-conducteurs se fait à haute température et nécessite un contrôle de la croissance des différentes couches de matériaux. En utilisant la technique développée par le laboratoire, il est donc possible d’observer les changements surfaciques d’un semi-conducteur en cours de fabrication : croissance d’une surface et changements de phases cristallines d’un échantillon. Il est même possible de compter en direct les couches formées durant la croissance. L’équipe du Dr. H. Khemliche est actuellement en train de mettre au point une technologie adaptable à l’industrie.

Après de nombreuses questions de l’assemblée, les participants découvrent quelques pièces plus loin l’expérience… qui ne ressemble en rien à un microscope optique : c’est un bâti ultravide avec des pompes qui abrite l’expérience. Le chercheur en détaille certaines parties comme la possibilité d’orienter l’échantillon suivant 5 degrés de liberté ou les différents diaphragmes qui définissent la taille du faisceau qui doit être bien parallèle. Il explique également comment on peut fabriquer un faisceau de particules neutres : en produisant d’abord des ions qui, eux, peuvent être accélérés puis en les neutralisant. Il discute également du mode de fonctionnement de l’expérience qui peut proposer des offres de service : les personnes intéressées peuvent venir accoler leur chambre d’expérience au « microscope à atomes ».