Image topographique d'une petite île de cobalt sur une surface de cuivre (taille 25 nanomètre fois 25 nanomètre). Nc marquer les molécules utilisées pour fonctionnaliser la pointe. Le petit carré marque la zone d'un zoom avant qui est agrandi dans le coin supérieur gauche et qui montre les différents champs d'interaction magnétique des différents atomes de cobalt dans la couche. Crédit : Forschungszentrum Jülich/Markus Ternes
Des scientifiques de l'Université de Strasbourg, La France, en étroite collaboration avec des collègues des centres de recherche de Saint-Sébastien, Espagne, et Jülich, Allemagne, ont réalisé une percée dans la détection des moments magnétiques des structures nanométriques. Ils ont réussi à rendre les moments magnétiques visibles avec une résolution jusqu'au niveau atomique à l'aide d'un microscope à effet tunnel, un appareil qui est la norme en science depuis de nombreuses années. Les chercheurs l'ont rendu sensible aux propriétés magnétiques en plaçant une petite molécule contenant un atome de nickel à la pointe du microscope. Les résultats publiés dans le présent numéro de Science ouvre une nouvelle voie pour obtenir des informations fondamentales sur les structures à l'échelle atomique et pour la conception de futurs dispositifs à l'échelle atomique tels que les dispositifs de stockage à l'échelle nanométrique et les simulateurs quantiques.
Pour explorer le monde des atomes et des molécules individuels, les scientifiques utilisent des microscopes qui ne reposent pas sur un rayon de lumière ou des électrons, mais peuvent plutôt être considérés comme la version ultime d'un tourne-disque analogue. Ces instruments, microscopes à sonde à balayage nommés, utilisez l'extrémité d'une aiguille pointue comme pointe pour « lire » les rainures créées par les atomes et les molécules sur la surface de support. Pour détecter la proximité entre la pointe et la surface, les scientifiques utilisent un minuscule courant électrique qui commence à circuler lorsque les deux ne sont séparés que d'une fraction de nanomètre, c'est-à-dire un millionième de millimètre. La régulation de la pointe pour maintenir cette distance permet une imagerie topographique en balayant la surface.
Alors que l'idée de base de tels microscopes a été développée depuis les années 1980, ce n'est qu'au cours de la dernière décennie que les scientifiques de différents laboratoires ont appris à étendre les capacités de ces microscopes en concevant intelligemment l'extrémité de leur pointe de sonde. Par exemple, en attachant une petite molécule, comme le CO ou l'hydrogène, une augmentation sans précédent de la résolution spatiale a été obtenue dans laquelle la flexibilité de la molécule rendait même visibles les liaisons chimiques.
De la même manière, les auteurs de la récente publication dans Science spécialement conçu leur instrumentation pour apporter une nouvelle fonction à la pointe acérée:ils l'ont rendu sensible aux moments magnétiques en plaçant une molécule contenant un seul atome de nickel - un soi-disant aimant moléculaire quantique - au sommet. Cette molécule peut être amenée électriquement dans différents états magnétiques avec facilité de telle manière qu'elle agit comme un petit aimant. Alors que son état fondamental ne possède effectivement aucun moment magnétique, ses états excités ont un moment magnétique qui détecte les moments proches avec une résolution spatiale sans précédent et une sensibilité élevée.
L'importance de cette réalisation est multiple. Pour la première fois, cette méthode permet d'imager des structures de surface en combinaison avec leurs propriétés magnétiques en résolution atomique. L'utilisation d'une molécule comme capteur actif la rend très reproductible et facile à mettre en œuvre dans des instruments utilisés par d'autres groupes dans le monde travaillant dans le domaine. Moments magnétiques "sombres" de structures magnétiques complexes, qui sont généralement difficiles à mesurer, devenir accessible, ce qui est important pour comprendre leur structure interne. Et la méthode offre un autre avantage. Parce que l'état fondamental du capteur moléculaire est non magnétique, la mesure n'induit qu'une contre-action minime sur le système étudié, ce qui est important pour les états volatils à l'échelle nanométrique.
En résumé, Avec ce travail, les scientifiques ont élargi leur boîte à outils à l'échelle nanométrique avec un nouvel outil sensible aux propriétés magnétiques qui seront importantes pour les applications futures, allant des dispositifs de mémoire à l'échelle nanométrique aux nouveaux matériaux ou applications dans le domaine de la simulation quantique et de l'informatique.
