(Phys.org) -- Des scientifiques suisses ont développé une système de mesure opto-mécanique précis qui peut être intégré dans une puce de silicium. Cette nouvelle technologie pourrait révolutionner le domaine des capteurs et de la microscopie à force atomique.

Les résonateurs sont utilisés pour détecter des quantités infinitésimales de matière dans l'atmosphère. Voici comment cela fonctionne :lorsqu'un fil microscopique entre en contact avec une particule ou une molécule de gaz, ça vibre. Chaque type de molécule provoque une vibration spécifique, un peu comme une note sur une corde de guitare, en lui conférant une signature unique permettant d'identifier le gaz ou la particule en suspension dans l'air, même en quantités infimes. Avec ses collègues Pierre Verlot et Emanuel Gavartin, Le physicien de l'EPFL Tobias Kippenberg a franchi une étape cruciale vers le développement capteurs sensibles et précis. L'équipe a publié une description de leur appareil, qui peut être emporté à bord d'une seule puce, dans la revue Nature Nanotechnologie .

Un disque de lumière

Les chercheurs sont actuellement dans une course pour miniaturiser les résonateurs. C'est logique, car plus la ficelle est petite, plus il réagira fortement lorsqu'il entrera en contact avec une particule - en d'autres termes, plus le capteur est petit, plus il sera sensible. Avec un fil de quelques centaines de nanomètres de diamètre, le dispositif développé par Gavartin en collaboration avec le Centre de Micronanotechnologie (CMi) de l'EPFL est l'un des plus sensibles pouvant fonctionner à température ambiante.

Les scientifiques utilisent un faisceau laser dirigé dans un petit disque de verre pour analyser les vibrations de la corde. Le faisceau circule 1, 000 fois en à peine 2 nanosecondes, puis quitte le disque. La ficelle est placée juste au dessus de cette piste de photons, et quand il vibre, il perturbe le faisceau. En comparant la longueur d'onde du laser lorsqu'il entre dans le disque et lorsqu'il en sort, les scientifiques peuvent en déduire les mouvements de la corde.

Système de refroidissement virtuel

Le principal obstacle auquel l'équipe a été confrontée était un phénomène physique connu sous le nom de "mouvement brownien". Cela provoque des vibrations aléatoires sur la corde qui s'amplifient à chaque impact et mettent un certain temps à disparaître. Ce phénomène ralentit considérablement les mesures. C'est un peu comme si, après avoir joué une note à la guitare, il fallait attendre que la corde cesse de vibrer avant de pouvoir jouer la note suivante.

Cette difficulté est généralement surmontée en refroidissant le système à l'aide d'hélium, parce que le mouvement brownien est considérablement réduit à des températures ultra-froides. Mais l'équipe de l'EPFL a pu développer une technique qui diminuait le mouvement brownien tout en permettant au système de rester à température ambiante. Un laser, la "sonde, ” détecte les mouvements dans la corde. Le signal est traité en temps réel et utilisé pour moduler un deuxième laser, le "contrôle, ” qui est injecté dans le disque pour contrer les effets du mouvement brownien en exerçant une contre-force sur la corde. C'est une sorte de système de refroidissement virtuel.

Rapide, précis et simple d'utilisation

Grâce à cette technique innovante, les scientifiques ont pu réduire le temps entre les mesures de 32 fois, tout en fonctionnant à environ 20 °C. Ce niveau de précision est extraordinaire. « Si au lieu d'une chaîne, nous avions un pont de 100m de long, nous pourrions, gardant toutes les mêmes proportions, mesurer une déformation d'un seul nanomètre, ou un dix millième du diamètre d'un cheveu, en temps réel, » explique Verlot, qui était co-auteur de l'article.

Le système développé à l'EPFL allie sensibilité – grâce à la taille de l'appareil – et rapidité – grâce au laser de contrôle – le tout sans avoir recours à un système de refroidissement complexe et coûteux. Complètement intégré dans une puce de silicium, le système se prête à de nombreuses applications possibles, dit Verlot. « Les capteurs ne sont pas le seul domaine dans lequel notre système pourrait s'avérer utile. Par exemple, il pourrait également contribuer à améliorer les systèmes de microscopie à force atomique – inventés dans les années 1980 par le physicien suisse Christoph Gerber – et, à un niveau plus fondamental, faciliter l'observation et la mesure de nombreux phénomènes.