Certains des phénomènes les plus prometteurs et les plus déroutants de la physique se déroulent à l'échelle nanométrique, où un décalage d'un milliardième de mètre peut faire ou défaire une conductivité électrique parfaite.

Maintenant, les scientifiques ont développé une nouvelle méthode pour sonder en trois dimensions, complexités à l'échelle atomique et compositions chimiques avec une précision sans précédent. La technique révolutionnaire, décrite le 6 février dans le journal Lettres nano - combine la microscopie à force atomique avec la spectroscopie en champ proche pour exposer les dommages surprenants causés par les forces les plus subtiles.

"C'est comme donner la vue aux aveugles, " a déclaré l'auteur principal Adrian Gozar de l'Université de Yale. " Nous pouvons enfin voir les variations très importantes qui dictent les fonctionnalités à cette échelle et mieux explorer à la fois l'électronique de pointe et les questions fondamentales qui persistent depuis des décennies. "

Des scientifiques de l'Université de Yale, Université de Harvard, et le laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis ont mis au point la technique pour déterminer pourquoi une technique de fabrication d'appareils particulière - la lithographie par faisceau d'ions hélium - n'a pas réussi à créer l'évolutif, nanofils supraconducteurs à hautes performances prédits par la théorie et la simulation.

Dans des travaux antérieurs, des faisceaux d'ions lourds ont été utilisés pour creuser des canaux de 10 nm de large - quelque 10, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain grâce à des matériaux sur mesure. Cependant, la nouvelle étude a révélé des dommages induits par le faisceau se propageant sur 50 fois cette distance. A cette échelle, cette différence était à la fois imperceptible et fonctionnellement catastrophique.

"Cela répond directement au défi de l'informatique quantique, par exemple, où des entreprises comme IBM et Google explorent les nanofils supraconducteurs mais ont besoin d'une synthèse et d'une caractérisation fiables, " a déclaré Ivan Bozovic, co-auteur de l'étude et physicien du Brookhaven Lab.

Écrire avec des ions

Une conception prometteuse pour les dispositifs supraconducteurs à haute température est l'alternance d'interfaces supraconducteur-isolant-supraconducteur (SIS), ou jonctions Josephson. Ceux-ci sont théoriquement faciles à fabriquer par écriture directe sur faisceau, en supposant qu'une précision suffisante puisse être obtenue.

La lithographie par faisceau d'ions hélium (HIB) était un candidat parfait, prouvé récemment dans des matériaux similaires et bien adapté à la production rapide et évolutive de nanofils supraconducteurs et de jonctions Josephson.

"HIB nous permet de concentrer le faisceau de particules à moins d'un nanomètre et d'"écrire" efficacement des motifs pour créer des interfaces supraconductrices, " dit Nicolas Litombe, qui a dirigé les travaux du HIB sous la direction du professeur Jenny Hoffman de Harvard, co-auteur de cette étude. « Nous avons décidé de déplacer cette technique vers une autre classe de matériaux :les couches minces LSCO. »

La collaboration a commencé par l'assemblage minutieux de films minces LSCO parfaits, ainsi nommés pour leur utilisation du lanthane, strontium, le cuivre, et de l'oxygène. Le groupe de Bozovic à Brookhaven a utilisé une technique appelée épitaxie par faisceau moléculaire couche par couche, qui peut créer des films supraconducteurs et des hétérostructures atomiquement parfaits.

"J'ai un intérêt et une spécialisation de longue date dans l'utilisation de la physique des interphases pour induire et comprendre la supraconductivité à haute température, " a déclaré Bozovic. " HIB nous offre une toute nouvelle façon d'explorer ces matériaux à l'échelle nanométrique. "

Litombe a sculpté les canaux d'interface ultra-précis dans les couches minces de Bozovic. Mais les résultats immédiats ont été décourageants :la supraconductivité attendue a été entièrement supprimée lorsque le courant a traversé des fils plus étroits que quelques centaines de nanomètres.

"Nos modèles informatiques et nos résultats expérimentaux semblaient tous excellents, mais nous savions qu'il y avait des forces cachées à l'œuvre, " a déclaré Litombe. " Nous avions besoin d'un aperçu plus approfondi de la structure matérielle. "

Paratonnerre cryogénique

La composition des matériaux et les propriétés électroniques peuvent être identifiées grâce à la manière dont ils absorbent et émettent de la lumière, un domaine de longue date appelé spectroscopie. Dans le cas de la supraconductivité, cela peut faire la distinction entre la surface "brillante" d'un métal conducteur et la matité d'un isolant à coupure de courant.

Les scientifiques se sont tournés vers la microscopie optique à balayage en champ proche (SNOM) pour examiner l'éclat spectroscopique des voies HIB. Mais cette technique, qui canalise la lumière à travers un capillaire en verre doré, a une limite de résolution d'environ 100 nanomètres, bien trop grande pour examiner les interfaces supraconductrices à l'échelle nanométrique.

Heureusement, Gozar a construit un instrument spécialisé pour augmenter radicalement la résolution spectroscopique. La machine, entièrement construit au Brookhaven Lab et maintenant hébergé à Yale, combine SNOM avec la microscopie à force atomique (AFM). Comme l'aiguille d'un tourne-disque extrayant le son de la texture du vinyle, une aiguille AFM se déplace sur un matériau et lit la topographie atomique.

"Ici, l'aiguille AFM agit comme un paratonnerre, canaliser la lumière SNOM jusqu'à quelques dizaines de nanomètres, " a déclaré Gozar. "Nous avons simultanément une topographie AFM et des données spectroscopiques sur les structures chimiques profondes."

Surtout, Le système AFM-SNOM de Gozar fonctionne également aux températures cryogéniques requises pour tester ces matériaux, une capacité offerte uniquement dans quelques laboratoires dans le monde.

Ruine généralisée

La nouvelle technique a révélé les dommages inattendus et étendus laissés dans le sillage des ions hélium. Malgré le foyer de 0,5 nanomètre du faisceau, ses effets ont secoué les atomes sur une étendue de 500 nanomètres et ont suffisamment modifié la structure pour empêcher la supraconductivité. Pour la construction de nanomatériaux, ce soi-disant straggle latéral est tout à fait intenable.

"Même le moindre coup de coude à cette échelle fait voler en éclats les phénomènes puissants que nous entendons exploiter, " a déclaré Litombe. " La supraconductivité à haute température peut avoir une distance de cohérence de quelques atomes seulement, donc cet effet latéral est dévastateur. Nous sommes, bien sûr, toujours ravi d'explorer des détails inédits."

Bozovic ajouté, "Dans un sens, tout le résultat était négatif. Notre objectif initial de créer des fils supraconducteurs de l'épaisseur du nanomètre n'a pas été entièrement atteint. Mais comprendre pourquoi a ouvert des portes vraiment passionnantes. »

La technique SNOM-AFM est facilement applicable à des domaines tels que la plasmonique pour la technologie d'affichage et l'étude du mécanisme derrière la supraconductivité à haute température.

"La résolution nanométrique et les capacités tomographiques de l'instrument, nous mettre sur le point de découvrir de nouvelles vérités sur les phénomènes nanométriques et la technologie qu'ils permettent, " dit Gozar.