(PhysOrg.com) -- À la pointe de la nanotechnologie, les chercheurs conçoivent des machines miniatures pour faire de gros travaux, du traitement des maladies à l'exploitation de la lumière du soleil pour produire de l'énergie. Mais alors qu'ils repoussent les limites de cette technologie, les appareils deviennent si petits et sensibles que le comportement des atomes individuels commence à gêner. Maintenant, les chercheurs de Caltech ont, pour la première fois, mesuré et caractérisé ces fluctuations atomiques - qui provoquent un bruit statistique - dans un dispositif nanométrique.

Le physicien Michael Roukes et ses collègues se spécialisent dans la construction de dispositifs appelés systèmes nanoélectromécaniques (NEMS en abrégé) qui ont une myriade d'applications. Par exemple, en détectant la présence de protéines marqueurs de maladie, les appareils peuvent servir d'outils de diagnostic bon marché et portables, utiles pour garder les gens en bonne santé dans les régions pauvres et rurales du monde. Des gadgets similaires peuvent mesurer les gaz toxiques dans une pièce fermée, donner un avertissement aux habitants.

Il y a deux ans, Le groupe de Roukes a créé le premier spectromètre de masse nanomécanique au monde, permettant aux chercheurs de mesurer la masse d'une seule molécule biologique. Le dispositif, un résonateur qui ressemble à un petit pont, se compose d'une fine bande de matériau de 2 microns de long et 100 nanomètres de large qui vibre à une fréquence de résonance de plusieurs centaines de mégahertz. Lorsqu'un atome est placé sur le pont, la fréquence se décale proportionnellement à la masse de l'atome.

Mais avec des appareils de plus en plus sensibles, les mouvements aléatoires des atomes entrent en jeu, générer du bruit statistique. "C'est comme le brouillard ou la fumée qui obscurcit ce que vous essayez de mesurer, " dit Roukes, qui est professeur de physique, Physique appliquée, et la bio-ingénierie. Afin de distinguer le signal du bruit, les chercheurs doivent comprendre ce qui cause le chahut.

Donc Roukes, avec l'ancien étudiant diplômé et scientifique du personnel Philip X. L. Feng, ancien étudiant diplômé Ya-Tang (Jack) Yang, et l'ancien post-doctorant Carlo Callegari - ont entrepris de mesurer ce bruit dans un résonateur NEMS. Ils ont décrit leurs résultats dans le numéro d'avril de la revue Nano Letters.

Dans leur expérience, les chercheurs ont pulvérisé du gaz xénon sur un résonateur en forme de pont similaire à celui qu'ils utilisaient pour peser les molécules biologiques. Le xénon peut s'accumuler en une couche d'un atome d'épaisseur à la surface, comme des billes recouvrant une table. Dans un tel arrangement, ce qu'on appelle une monocouche, les atomes sont tellement serrés les uns contre les autres qu'ils n'ont pas beaucoup de place pour bouger. Mais pour étudier le bruit, les chercheurs ont créé une sous-monocouche, qui n'a pas assez d'atomes pour couvrir complètement la surface du résonateur. En raison de l'espace supplémentaire, les atomes ont plus de liberté pour se déplacer, qui génère plus de bruit dans le système.

Les atomes de la sous-monocouche font l'une des trois choses suivantes :ils adhèrent à la surface, se décoller et s'envoler, ou glisser. Ou en physique parle, les atomes s'adsorbent, désorber, ou diffuse. Les théories précédentes avaient prédit que le bruit est très probablement dû au collage et au décollement des atomes. Mais maintenant que les chercheurs ont pu observer ce qui se passe réellement dans un tel appareil, ils ont découvert que la diffusion domine le bruit. Ce qui est remarquable, disent les chercheurs, c'est qu'ils ont découvert que lorsqu'un atome glisse le long de la surface du résonateur, cela fait fluctuer la fréquence de vibration de l'appareil. C'est la première fois que quelqu'un mesure cet effet, puisque les appareils précédents n'étaient pas sensibles à ce genre de diffusion. Ils ont également découvert de nouvelles lois de puissance dans les spectres de fréquences de bruit, des descriptions quantitatives des fréquences auxquelles les atomes vibrent.

Il y a encore beaucoup à apprendre sur la physique de ce bruit, disent les chercheurs. Finalement, ils devront trouver comment s'en débarrasser ou le supprimer pour construire de meilleurs appareils NEMS. Mais comprendre ce bruit - en mesurant le mouvement aléatoire des atomes individuels - est en soi une science fascinante, dit Roukes. "C'est une nouvelle fenêtre sur la façon dont les choses fonctionnent dans le monde à l'échelle nanométrique."