Des chercheurs ont repoussé les limites du microscope à effet tunnel (STM) en capturant les mouvements des électrons à l’échelle de l’attoseconde. La résolution temporelle du microscope a été considérablement améliorée, de sorte qu’il pourrait désormais sonder la dynamique électronique et observer des changements de liaison ou des réactions chimiques à l’échelle atomique. Cette approche pourrait à terme trouver des applications dans le contrôle de la matière et les technologies de calcul ultrarapide.

Le STM a été développé en 1981 par les physiciens allemands Gerd Binnig et Heinrich Rohrer. Il a permis de surmonter un obstacle de longue date dans le domaine de la microscopie. En effet, avant son développement, les structures atomiques de nombreux matériaux pouvaient notamment être déterminées indirectement par diffraction des rayons X ou des électrons sur des cristaux et en analysant leurs profils de diffraction.

Le STM a permis d’obtenir des images à l’échelle atomique des surfaces conductrices ou semi-conductrices, ce qui a valu au duo de physiciens le prix Nobel de physique de 1986. Le microscope comporte une pointe métallique extrêmement fine placée à quelques distances atomiques de l’échantillon.

Cette faible distance permet aux électrons de traverser la barrière entre la pointe et l’échantillon par effet tunnel, un phénomène quantique au cours duquel une particule peut traverser une barrière de potentiel alors que son énergie classique serait insuffisante pour la franchir.

L’effet tunnel produit un courant électrique sensible à la taille de l’espace entre la pointe et l’échantillon et la mesure du courant de tunnel entre chaque point permet de générer une cartographie atomique de la surface de l’échantillon avec une résolution de l’ordre de l’angström. Cependant, malgré cette résolution spatiale, la résolution temporelle du STM restait relativement limitée.

Les STM pouvaient capturer des mouvements de quelques millisecondes ou microsecondes, mais dès que les atomes ou les électrons se mettaient en mouvement, l’image obtenue était floue. Par analogie, ce serait un peu comme essayer de photographier le battement des ailes d’un colibri avec un appareil photo trop lent.

Dans une étude publiée récemment dans la revue Nature Photonics, des chercheurs affirment avoir atteint une résolution temporelle de l’ordre de l’attoseconde (10⁻¹⁸ secondes), ce qui aurait permis de sonder les mouvements des électrons et les changements de liaison entre les atomes.

« D’habitude, dans mon bureau, on m’appelle quand il y a un problème au labo, et on se précipite pour aider », raconte Rupert Huber, physicien à l’Université de Ratisbonne, en Allemagne, et co-auteur de l’étude, dans un article du club de lecture de la revue PNAS. « Mais cette fois-ci, ils étaient tellement ravis que je les entendais crier : “Oh là là, regardez ça en bas !” »

Isoler le signal des électrons

Le défi de Huber et ses collègues consistait à combiner la résolution spatiale du STM à la résolution temporelle de l’obturateur attoseconde, l’obturateur d’appareil photo le plus rapide au monde. En envoyant une brève impulsion à la pointe du microscope, les chercheurs peuvent permettre aux électrons de traverser la barrière entre la pointe et l’échantillon lorsque les conditions de mesure sont réunies.

« Nous avons constaté que la lumière est une onde électromagnétique possédant un champ porteur oscillant. En réduisant considérablement la durée de l’impulsion lumineuse, on peut atteindre un seul cycle d’oscillation », explique Huber.

Dans de précédents travaux, les chercheurs étaient parvenus à atteindre une vitesse d’obturation d’environ 100 femtosecondes grâce à une impulsion infrarouge lointaine, mais cela était encore loin d’être suffisant pour suivre le mouvement des électrons. Au lieu d’une impulsion infrarouge lointaine, les chercheurs ont alors utilisé une impulsion infrarouge proche.

Afin de pallier l’effet de réchauffement de l’impulsion infrarouge et de réduire les signaux parasites, l’équipe a développé une source lumineuse basée sur la technologie laser à fibre. La dynamique attoseconde des électrons a pu être isolée des signaux thermiques et mécaniques en maintenant constante la puissance du laser et en inversant la polarité du champ électrique.

« Nous pouvons transférer la plus petite charge que la nature nous permet de transférer dans un espace-temps extrêmement réduit », souligne Huber. En plaçant cette charge dans une molécule ou une liaison spécifique, il serait possible de déclencher des réactions chimiques hautement contrôlées.

Outre les applications en chimie, l’approche pourrait contribuer au développement de dispositifs électroniques fonctionnant à des fréquences comparables à celles des horloges optiques, soit des centaines de milliers de fois supérieures à celles des technologies actuelles.

Source : Nature Photonics