Une membrane en nitrure de silicium perforé sert de capteur de force. Deux « îlots » couplés subissent des vibrations hors du plan. Sur l'un d'eux les échantillons sont chargés et l'autre sert à mesurer les vibrations avec un interféromètre laser. Une pointe de balayage métallique interagit avec les échantillons et modifie les vibrations. Crédit :Alexander Eichler, ETH Zurich
Le développement des microscopes à sonde à balayage au début des années 1980 a apporté une percée dans l'imagerie, ouvrant une fenêtre sur le monde à l'échelle nanométrique. L'idée clé est de balayer une pointe extrêmement pointue sur un substrat et d'enregistrer à chaque endroit la force de l'interaction entre la pointe et la surface. En microscopie à balayage, cette interaction est, comme son nom l'indique, la force entre la pointe et les structures à la surface. Cette force est généralement déterminée en mesurant comment la dynamique d'une pointe vibrante change lorsqu'elle balaye des objets déposés sur un substrat. Une analogie courante consiste à taper du doigt sur une table et à détecter des objets placés sur la surface.
Une équipe dirigée par Alexander Eichler, scientifique senior dans le groupe du Prof. Christian Degen au Département de physique de l'ETH Zurich, a bouleversé ce paradigme. Écrire dans Examen physique appliqué , ils rapportent le premier microscope à force de balayage dans lequel la pointe est au repos tandis que le substrat avec les échantillons vibre.
Queue remuant le chien
Faire de la microscopie à force en "vibrant la table sous le doigt" peut sembler compliquer la procédure. Dans un sens, Cela fait. Mais maîtriser la complexité de cette approche inversée est très payante. La nouvelle méthode promet de pousser la sensibilité de la microscopie à force à sa limite fondamentale, au-delà de ce que l'on peut attendre d'améliorations supplémentaires de l'approche conventionnelle du "tapotement du doigt".
La clé de l'augmentation de la sensibilité est le choix du substrat. La « table » dans les expériences d'Eichler, Degen et leurs collaborateurs est une membrane perforée en nitrure de silicium, à peine 41 nm d'épaisseur. Collaborateurs des physiciens de l'ETH, le groupe d'Albert Schliesser à l'Université de Copenhague au Danemark, ont établi ces membranes de faible masse comme des résonateurs nanomécaniques exceptionnels avec des facteurs de qualité extrêmes. Une fois la membrane tapée, il vibre des millions de fois, ou plus, avant de venir se reposer. Compte tenu de ces propriétés mécaniques exquises, il devient avantageux de faire vibrer la table plutôt que le doigt, du moins en principe.
La séparation des îles est d'environ un demi-millimètre. Crédit :David Hälg et Shobhna Misra, ETH Zurich
Nouveau concept mis en pratique
Traduire cette promesse théorique en capacité expérimentale est l'objectif d'un projet en cours entre les groupes de Degen et Schliesser, avec le soutien théorique du Dr Ramasubramanian Chitra et du Prof. Oded Zilberberg de l'Institut de physique théorique de l'ETH Zurich. Comme jalon de ce voyage, les équipes expérimentales ont maintenant démontré que le concept de microscopie à force de balayage par membrane fonctionne dans un appareil réel.
En particulier, ils ont montré que ni le chargement de la membrane avec des échantillons ni le rapprochement de la pointe à une distance de quelques nanomètres ne compromettent les propriétés mécaniques exceptionnelles de la membrane. Cependant, une fois que la pointe s'approche de l'échantillon encore plus près, la fréquence ou l'amplitude de la membrane change. Pour pouvoir mesurer ces changements, la membrane comporte un îlot où la pointe et l'échantillon interagissent, ainsi qu'un second couplé mécaniquement au premier, à partir duquel un faisceau laser peut être partiellement réfléchi, pour fournir un interféromètre optique sensible.
Quantum est la limite
Mettre cette configuration au travail, l'équipe a réussi à résoudre les nanoparticules d'or et les virus de la mosaïque du tabac. Ces images servent de preuve de principe pour le nouveau concept de microscopie, bien qu'ils ne poussent pas encore les capacités dans un nouveau territoire. Mais l'objectif est à portée de main. Les chercheurs prévoient de combiner leur nouvelle approche avec une technique connue sous le nom de microscopie à force de résonance magnétique (MRFM) pour permettre l'imagerie par résonance magnétique avec une résolution d'atomes uniques, offrant ainsi un aperçu unique, par exemple, en virus.
L'IRM à l'échelle atomique serait une autre percée dans l'imagerie, combinant une résolution spatiale ultime avec des informations physiques et chimiques très spécifiques sur les atomes imagés. Pour la réalisation de cette vision, une sensibilité proche de la limite fondamentale donnée par la mécanique quantique est nécessaire. L'équipe est convaincue qu'elle peut réaliser un tel capteur de force à limitation quantique grâce à de nouvelles avancées dans l'ingénierie des membranes et la méthodologie de mesure. Avec la démonstration que la microscopie à force de balayage à base de membrane est possible, l'objectif ambitieux s'est maintenant rapproché d'un grand pas.
