Prof. Stefan Tautz (à gauche ci-dessous), Dr Taner Esat (à gauche ci-dessus) et Prof. Ruslan Temirov (à droite) au microscope quantique de Jülich Crédit :Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau
Les microscopes à effet tunnel capturent des images de matériaux avec une précision atomique et peuvent être utilisés pour manipuler des molécules ou des atomes individuels. Les chercheurs utilisent les instruments depuis de nombreuses années pour explorer le monde des phénomènes nanoscopiques. Une nouvelle approche des physiciens du Forschungszentrum Jülich crée désormais de nouvelles possibilités d'utilisation des appareils pour étudier les effets quantiques. Grâce au refroidissement magnétique, leur microscope à effet tunnel fonctionne sans aucune pièce mobile et est pratiquement sans vibration à des températures extrêmement basses aussi basses que 30 millikelvins. L'instrument peut aider les chercheurs à découvrir les propriétés exceptionnelles des matériaux quantiques, qui sont cruciales pour le développement des ordinateurs quantiques et des capteurs.
Les physiciens considèrent que la plage de température proche du zéro absolu est un domaine de recherche particulièrement passionnant. Les fluctuations thermiques sont réduites au minimum. Les lois de la physique quantique entrent en jeu et révèlent des propriétés particulières des matériaux. Le courant électrique circule alors librement sans aucune résistance. Un autre exemple est un phénomène appelé superfluidité :les atomes individuels fusionnent dans un état collectif et se déplacent les uns les autres sans friction.
Ces températures extrêmement basses sont également nécessaires pour rechercher et exploiter les effets quantiques pour l'informatique quantique. Des chercheurs du monde entier ainsi que du Forschungszentrum Jülich poursuivent actuellement cet objectif à toute vitesse. Les ordinateurs quantiques pourraient être de loin supérieurs aux supercalculateurs conventionnels pour certaines tâches. Cependant, le développement en est encore à ses balbutiements. Un défi majeur consiste à trouver des matériaux et des processus qui rendent possibles des architectures complexes avec des bits quantiques stables.
"Je crois qu'un microscope polyvalent comme le nôtre est l'outil de choix pour cette tâche fascinante, car il permet de visualiser et de manipuler la matière au niveau des atomes et des molécules individuels de différentes manières, " explique Ruslan Temirov du Forschungszentrum Jülich.
Un objet typique de la recherche en physique quantique :Au centre, une seule molécule peut être vue, qui a été séparé à l'aide de la pointe du microscope. A des températures proches du zéro absolu, il n'y a pas de bruit pour perturber l'image. Crédit :Forschungszentrum Jülich / Taner Esat, Rouslan Témirov
Au fil des années de travail, lui et son équipe ont équipé à cet effet un microscope à effet tunnel avec refroidissement magnétique. "Notre nouveau microscope diffère de tous les autres de la même manière qu'une voiture électrique diffère d'un véhicule à moteur thermique, " explique le physicien de Jülich. Jusqu'à présent, les chercheurs se sont appuyés sur une sorte de combustible liquide, un mélange de deux isotopes d'hélium, d'amener les microscopes à des températures aussi basses. « Pendant le fonctionnement, ce mélange de refroidissement circule en continu dans des tuyaux minces, ce qui entraîne une augmentation du bruit de fond, " dit Témirov.
Le dispositif de refroidissement du microscope de Jülich, d'autre part, est basé sur le processus de démagnétisation adiabatique. Le principe n'est pas nouveau. Il a été utilisé dans les années 1930 pour atteindre pour la première fois des températures inférieures à 1 kelvin en laboratoire. Pour le fonctionnement des microscopes, il a plusieurs avantages, dit Ruslan Temirov :« Avec cette méthode, nous pouvons refroidir notre nouveau microscope simplement en changeant la force du courant électrique traversant une bobine électromagnétique. Ainsi, notre microscope n'a aucune pièce mobile et est pratiquement sans vibration."
Les scientifiques de Jülich sont les premiers à avoir construit un microscope à effet tunnel utilisant cette technique. "La nouvelle technologie de refroidissement présente plusieurs avantages pratiques. Non seulement elle améliore la qualité de l'image, mais le fonctionnement de l'ensemble de l'instrument et de l'ensemble de la configuration sont simplifiés, " déclare Stefan Tautz, directeur de l'institut. Grâce à sa conception modulaire, le microscope quantique de Jülich reste également ouvert aux avancées techniques, il ajoute, car les mises à niveau peuvent être facilement mises en œuvre.
"Le refroidissement adiabatique est un véritable saut quantique pour la microscopie à effet tunnel. Les avantages sont si importants que nous développons maintenant un prototype commercial comme prochaine étape, " explique Stefan Tautz. Les technologies quantiques font actuellement l'objet de nombreuses recherches. L'intérêt de nombreux groupes de recherche pour un tel instrument est donc assuré.
La recherche a été publiée dans Examen des instruments scientifiques .
