Tout surveiller de près :Christian Ast vérifie les connexions du microscope à effet tunnel (en haut). Les chercheurs du Département des sciences à l'échelle nanométrique mènent leurs expériences dans cet instrument à des températures les plus basses d'un quinze millième de degré au-dessus du zéro absolu. Le principe est toujours le même (en bas) :Un courant tunnel (illustré par la barre transparente) circule entre une pointe ultrafine et l'échantillon, fournir des informations sur les propriétés de l'échantillon. A ces basses températures, le courant tunnel révèle toutes ses propriétés quantiques. Crédit :Tom Pingel (en haut), MPI pour la recherche sur l'état solide (en bas)
Que se passerait-il si un courant électrique ne passait plus, mais ruisselé à la place ? C'est la question étudiée par les chercheurs travaillant avec Christian Ast à l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide. Leur enquête impliquait de refroidir leur microscope à effet tunnel à un quart de millième de degré au-dessus du zéro absolu. A ces températures extrêmement basses, les électrons révèlent leur nature quantique. Le courant électrique est donc un milieu granulaire, constitué de particules individuelles. Les électrons passent à travers un conducteur comme des grains de sable dans un sablier, un phénomène qui peut être expliqué à l'aide de l'électrodynamique quantique.
L'eau qui coule d'un robinet ressemble à un milieu homogène - il est impossible de faire la distinction entre les molécules d'eau individuelles. C'est exactement la même chose pour le courant électrique. Tant d'électrons circulent dans un câble conventionnel que le courant semble homogène. Bien qu'il ne soit pas possible de distinguer les électrons individuels, la mécanique quantique dit qu'ils devraient exister. Alors comment se comportent-ils ? Dans quelles conditions le courant ne passe-t-il pas comme de l'eau à travers un robinet, mais plutôt coule comme du sable dans un sablier ?
L'analogie du sablier est très appropriée pour le microscope à effet tunnel, où un mince, la pointe pointue balaye la surface d'un échantillon sans réellement le toucher. Un tout petit courant circule néanmoins, car il y a une faible probabilité que les électrons « sont tunnel » de la pointe pointue dans l'échantillon. Ce courant tunnel est une fonction exponentielle de la séparation, c'est pourquoi la pointe pointue n'est située qu'à quelques Ångström (un dix millionième de millimètre) au-dessus de l'échantillon.
Des variations infimes du courant tunnel permettent ainsi aux chercheurs de résoudre des atomes individuels et des structures atomiques sur des surfaces et d'étudier leur structure électronique. Les microscopes à effet tunnel font donc partie des détecteurs les plus polyvalents et les plus sensibles de toute la physique du solide.
Même dans ces conditions extrêmes – un petit courant de moins d'un milliardième du courant qui traverse une ampoule de 100 watts – des milliards d'électrons par seconde circulent encore. C'est trop pour discerner les électrons individuels. La température était descendue à environ un quinze millième de degré au-dessus du zéro absolu (c'est-à-dire à moins 273,135°C ou 15 mK) avant que les scientifiques ne voient que le courant électrique est constitué d'électrons individuels.
A cette basse température, structures très fines, auquel les chercheurs ne s'attendaient pas, apparaissent dans le spectre. "On ne pourrait expliquer ces nouvelles structures qu'en supposant que le courant tunnel est un milieu granulaire et non plus homogène, " dit Ast, qui dirige le groupe travaillant avec le microscope à effet tunnel. C'est donc la première fois que le caractère quantique complet du transport électronique dans le microscope à effet tunnel se révèle.
La charge électrique doit donc également être quantifiée si l'on veut expliquer pleinement ce phénomène de mécanique quantique. "La théorie sur laquelle ceci est basé a été développée au début des années 1990. Maintenant que les problèmes conceptuels et pratiques liés à son application aux microscopes à effet tunnel ont été résolus, il est agréable de voir à quel point la théorie et l'expérience s'harmonisent, " dit Joachim Ankerhold de l'Université d'Ulm, qui a contribué à la base théorique.
En plus d'une théorie détaillée, les expériences de ce type nécessitent un environnement de laboratoire adapté qui réduit dans une large mesure les perturbations extérieures. Depuis fin 2012, un nouveau laboratoire de précision est opérationnel sur le campus des instituts Max Planck à Stuttgart; il fournit un environnement de laboratoire presque sans perturbation pour des expériences très sensibles telles que le microscope à effet tunnel mK.
L'instrument est situé dans le laboratoire de précision dans un coffret équipé d'un blindage acoustique et électromagnétique sur un socle en béton antivibratoire. "Nous voulons l'utiliser pour nous aventurer dans de nouveaux, territoire inconnu - ce que nous avons fait avec beaucoup de succès avec cette expérience, " dit Klaus Kern, Directeur à l'Institut Max Planck de recherche sur l'état solide.
Les électrons ont déjà démontré leur nature quantique. Comme ils sont transportés à travers des points quantiques, par exemple, le passage du courant est spécifiquement bloqué pour que les électrons apparaissent individuellement. Cet effet est devenu évident dans le microscope à effet tunnel simplement en le refroidissant à des températures extrêmement basses, toutefois. "L'effet tunnel a définitivement atteint la limite quantique ici, " déclare Berthold Jäck, membre de l'équipe. Les chercheurs ne veulent pas voir cela comme une limitation, toutefois. "Ces températures extrêmement basses ouvrent une richesse de détails inattendue qui nous permet de mieux comprendre la supraconductivité et les interactions lumière-matière, " dit Christian Ast.
