Des chercheurs ont repouss\u00e9 les limites du microscope \u00e0 effet tunnel (STM) en capturant les mouvements des \u00e9lectrons \u00e0 l\u2019\u00e9chelle de l\u2019attoseconde. La r\u00e9solution temporelle du microscope a \u00e9t\u00e9 consid\u00e9rablement am\u00e9lior\u00e9e, de sorte qu\u2019il pourrait d\u00e9sormais sonder la dynamique \u00e9lectronique et observer des changements de liaison ou des r\u00e9actions chimiques \u00e0 l\u2019\u00e9chelle atomique. Cette approche pourrait \u00e0 terme trouver des applications dans le contr\u00f4le de la mati\u00e8re et les technologies de calcul ultrarapide.<\/p>\n
Le STM a \u00e9t\u00e9 d\u00e9velopp\u00e9 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 d\u00e9veloppement, les structures atomiques de nombreux mat\u00e9riaux pouvaient notamment \u00eatre d\u00e9termin\u00e9es indirectement par diffraction des rayons X ou des \u00e9lectrons sur des cristaux et en analysant leurs profils de diffraction.<\/p>\n
Le STM a permis d\u2019obtenir des images \u00e0 l\u2019\u00e9chelle 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 m\u00e9tallique extr\u00eamement fine plac\u00e9e \u00e0 quelques distances atomiques de l\u2019\u00e9chantillon.<\/p>\n
Cette faible distance permet aux \u00e9lectrons<\/a> de traverser la barri\u00e8re entre la pointe et l\u2019\u00e9chantillon par effet tunnel, un ph\u00e9nom\u00e8ne quantique au cours duquel une particule peut traverser une barri\u00e8re de potentiel alors que son \u00e9nergie classique serait insuffisante pour la franchir.<\/p>\n L\u2019effet tunnel produit un courant \u00e9lectrique sensible \u00e0 la taille de l\u2019espace entre la pointe et l\u2019\u00e9chantillon et la mesure du courant de tunnel entre chaque point permet de g\u00e9n\u00e9rer une cartographie atomique de la surface de l\u2019\u00e9chantillon avec une r\u00e9solution de l\u2019ordre de l\u2019angstr\u00f6m. Cependant, malgr\u00e9 cette r\u00e9solution spatiale, la r\u00e9solution temporelle du STM restait relativement limit\u00e9e.<\/p>\n Les STM pouvaient capturer des mouvements de quelques millisecondes ou microsecondes, mais d\u00e8s que les atomes ou les \u00e9lectrons se mettaient en mouvement, l\u2019image obtenue \u00e9tait floue. Par analogie, ce serait un peu comme essayer de photographier le battement des ailes d\u2019un colibri avec un appareil photo trop lent.<\/p>\n Dans une \u00e9tude publi\u00e9e r\u00e9cemment dans la revue Nature Photonics, des chercheurs affirment avoir atteint une r\u00e9solution temporelle de l\u2019ordre de l\u2019attoseconde<\/a> (10\u207b\u00b9\u2078 secondes), ce qui aurait permis de sonder les mouvements des \u00e9lectrons et les changements de liaison entre les atomes<\/a>.<\/p>\n \u00ab D\u2019habitude, dans mon bureau, on m\u2019appelle quand il y a un probl\u00e8me au labo, et on se pr\u00e9cipite pour aider \u00bb, raconte Rupert Huber, physicien \u00e0 l\u2019Universit\u00e9 de Ratisbonne, en Allemagne, et co-auteur de l\u2019\u00e9tude, dans un article du club de lecture de la revue PNAS<\/a>. \u00ab Mais cette fois-ci, ils \u00e9taient tellement ravis que je les entendais crier : \u201cOh l\u00e0 l\u00e0, regardez \u00e7a en bas !\u201d \u00bb<\/p>\n Isoler le signal des \u00e9lectrons<\/p>\n Le d\u00e9fi de Huber et ses coll\u00e8gues consistait \u00e0 combiner la r\u00e9solution spatiale du STM \u00e0 la r\u00e9solution temporelle de l\u2019obturateur attoseconde, l\u2019obturateur d\u2019appareil photo le plus rapide au monde.\u00a0En envoyant une br\u00e8ve impulsion \u00e0 la pointe du microscope, les chercheurs peuvent permettre aux \u00e9lectrons de traverser la barri\u00e8re entre la pointe et l\u2019\u00e9chantillon lorsque les conditions de mesure sont r\u00e9unies.<\/p>\n \u00ab Nous avons constat\u00e9 que la lumi\u00e8re est une onde \u00e9lectromagn\u00e9tique poss\u00e9dant un champ porteur oscillant. En r\u00e9duisant consid\u00e9rablement la dur\u00e9e de l\u2019impulsion lumineuse, on peut atteindre un seul cycle d\u2019oscillation \u00bb, explique Huber.<\/p>\n