Il image des atomes isolés. Il cartographie les collines et les vallées à l'échelle atomique sur des surfaces métalliques et isolantes. Et il enregistre le flux de courant à travers des matériaux atomiques minces soumis à des champs magnétiques géants. Des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis au point un nouvel instrument capable d'effectuer simultanément trois types de mesures à l'échelle atomique. Ensemble, ces mesures peuvent révéler de nouvelles connaissances sur un large éventail de matériaux spéciaux qui sont cruciaux pour le développement de la prochaine génération d'ordinateurs quantiques, communications et une foule d'autres applications.

Des smartphones aux multicuiseurs, les appareils qui remplissent plusieurs fonctions sont souvent plus pratiques et potentiellement moins chers que les outils à usage unique qu'ils remplacent, et leurs multiples fonctions fonctionnent souvent mieux ensemble que séparément. Le nouvel instrument trois-en-un est une sorte de couteau suisse pour les mesures à l'échelle atomique. Le chercheur du NIST Joseph Stroscio et ses collègues, dont Johannes Schwenk et Sungmin Kim, présenter une recette détaillée pour construire l'appareil dans le Examen des instruments scientifiques .

"Nous décrivons un modèle que d'autres personnes peuvent copier, " dit Stroscio. " Ils peuvent modifier les instruments qu'ils ont; ils n'ont pas besoin d'acheter de nouveaux équipements."

En effectuant simultanément des mesures à des échelles allant du nanomètre au millimètre, l'instrument peut aider les chercheurs à se concentrer sur les origines atomiques de plusieurs propriétés inhabituelles dans les matériaux qui peuvent s'avérer inestimables pour une nouvelle génération d'ordinateurs et d'appareils de communication. Ces propriétés incluent le flux de courant électrique sans résistance, des sauts quantiques de résistance électrique qui pourraient servir de nouveaux interrupteurs électriques, et de nouvelles méthodes pour concevoir des bits quantiques, ce qui pourrait conduire à des ordinateurs quantiques à semi-conducteurs.

"En connectant l'atomique à la grande échelle, nous pouvons caractériser les matériaux d'une manière que nous ne pouvions pas auparavant, " dit Stroscio.

Bien que les propriétés de toutes les substances trouvent leurs racines dans la mécanique quantique, les lois physiques qui régissent le domaine lilliputien des atomes et des électrons, les effets quantiques peuvent souvent être ignorés à grande échelle, comme dans le monde macroscopique que nous vivons tous les jours. Mais pour une classe très prometteuse de matériaux appelés matériaux quantiques, qui se composent typiquement d'une ou plusieurs couches atomiquement minces, de forts effets quantiques entre groupes d'électrons persistent sur de grandes distances et les règles de la théorie quantique peuvent dominer même sur des échelles de longueur macroscopiques. Ces effets conduisent à des propriétés remarquables qui peuvent être exploitées pour de nouvelles technologies.

Pour étudier plus précisément ces propriétés, Stroscio et ses collègues ont combiné dans un seul instrument un trio d'appareils de mesure de précision. Deux des appareils, un microscope à force atomique (AFM) et un microscope à effet tunnel (STM), examiner les propriétés microscopiques des solides, tandis que le troisième outil enregistre la propriété macroscopique du transport magnétique - le flux de courant en présence d'un champ magnétique.

"Aucun seul type de mesure n'apporte toutes les réponses pour comprendre les matériaux quantiques, " a déclaré le chercheur du NIST Nikolai Zhitenev. " Cet appareil, avec plusieurs outils de mesure, fournit une image plus complète de ces matériaux.

Pour construire l'instrument, l'équipe du NIST a conçu un AFM et un appareil de mesure du transport magnétique qui étaient plus compacts et comportaient moins de pièces mobiles que les versions précédentes. Ils ont ensuite intégré les outils à une STM existante.

Un STM et un AFM utilisent tous deux une pointe acérée pour examiner la structure à l'échelle atomique des surfaces. Un STM cartographie la topographie des surfaces métalliques en plaçant la pointe à une fraction de nanomètre (milliardième de mètre) du matériau à l'étude. En mesurant le flux d'électrons qui sortent de la surface métallique lorsque la pointe acérée plane juste au-dessus du matériau, le STM révèle les collines et les vallées à l'échelle atomique de l'échantillon.

En revanche, un AFM mesure les forces par les changements de la fréquence à laquelle sa pointe oscille lorsqu'elle survole une surface. (La pointe est montée sur un cantilever miniature, ce qui permet à la sonde de se balancer librement.) La fréquence d'oscillation se décale lorsque la sonde pointue détecte les forces, comme l'attraction entre les molécules, ou les forces électrostatiques avec la surface du matériau. Pour mesurer le transport magnétique, un courant est appliqué à travers une surface immergée dans un champ magnétique connu. Un voltmètre enregistre la tension à différents endroits de l'appareil, révélant la résistance électrique du matériau.

L'ensemble est monté à l'intérieur d'un cryostat, un dispositif qui refroidit le système à un centième de degré au-dessus du zéro absolu. A cette température, la gigue quantique aléatoire des particules atomiques est minimisée et les effets quantiques à grande échelle deviennent plus prononcés et plus faciles à mesurer. L'appareil trois en un, qui est protégé des bruits électriques externes, est également cinq à dix fois plus sensible que n'importe quel ensemble précédent d'instruments similaires, proche de la limite fondamentale du bruit quantique qui peut être atteint à basse température.

Bien qu'il soit possible pour trois instruments entièrement indépendants—un STM, un AFM et un dispositif de transport magnétique pour effectuer les mêmes mesures, insérer puis rétracter chaque outil peut perturber l'échantillon et diminuer la précision de l'analyse. Des instruments séparés peuvent également rendre difficile la reproduction des conditions exactes, tels que la température et l'angle de rotation entre chaque couche ultramince du matériau quantique, sous lequel les mesures précédentes ont été faites.

Pour atteindre l'objectif d'un instrument trois-en-un à haute sensibilité, l'équipe du NIST s'est associée à une équipe internationale d'experts, dont Franz Giessibl de l'Université de Ratisbonne, Allemagne, qui a inventé un AFM très efficace connu sous le nom de qPlus AFM. L'équipe a choisi une conception compacte qui a augmenté la rigidité du microscope et a équipé le système d'une série de filtres pour filtrer le bruit des radiofréquences. L'aiguille atomiquement mince du STM a doublé comme capteur de force pour l'AFM, qui était basé sur une nouvelle conception de capteur de force créée par Giessibl pour l'instrument trois-en-un.

Pour Stroscio, un pionnier dans la construction de STM toujours plus sophistiquées, le nouvel appareil est en quelque sorte l'apogée d'une carrière de plus de trois décennies dans le domaine de la microscopie à sonde à balayage. Son équipe, il a noté, luttait depuis plusieurs années pour réduire considérablement le bruit électrique dans ses mesures. « Nous avons maintenant atteint la résolution ultime donnée par les limites thermiques et quantiques dans ce nouvel instrument, " a déclaré Stroscio.

"C'est comme si j'avais gravi le plus haut sommet des montagnes Rocheuses, " Il a ajouté. " C'est une belle synthèse de tout ce que j'ai appris au cours des 30 dernières années et plus. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.