Imaginez un cube sur lequel la lumière est projetée par une lampe de poche. Le cube réfléchit la lumière d'une manière particulière, Ainsi, le simple fait de faire tourner le cube ou de déplacer la lampe torche permet d'examiner chaque aspect et d'en déduire des informations sur sa structure. Maintenant, imaginez que ce cube n'a que quelques atomes de haut, que la lumière n'est détectable qu'en infrarouge, et que la lampe de poche est un faisceau d'un microscope. Comment procéder pour examiner chacune des faces du cube ? C'est la question à laquelle ont récemment répondu des scientifiques du CNRS, l'Université Paris-Saclay, l'Université de Graz et l'Université de technologie de Graz (Autriche) en générant la première image 3D de la structure de la lumière infrarouge à proximité du nanocube. Leurs résultats seront publiés le 26 mars 2021 dans Science .

La microscopie électronique utilise un faisceau d'électrons pour éclairer un échantillon et créer une image agrandie. Il fournit également des mesures plus complètes des propriétés physiques, avec une résolution spatiale inégalée qui peut même visualiser des atomes individuels. Chromatème, l'instrument dédié à la spectroscopie de l'équipe Equipex Tempos, est l'un de ces microscopes de nouvelle génération. Il sonde l'optique, mécanique, et les propriétés magnétiques de la matière à très haute résolution, celui qui n'est égalé que par trois autres microscopes dans le monde.

Des scientifiques du CNRS et de l'Université Paris-Saclay travaillant au Laboratoire de physique des solides (CNRS/Université Paris-Saclay), avec leurs collègues de l'Université de Graz et de l'Université de technologie de Graz (Autriche), utilisé Chromatem pour étudier un nanocristal d'oxyde de magnésium. La vibration de ses atomes crée un champ électromagnétique qui ne peut être détecté que dans l'infrarouge moyen. Lorsque les électrons émis par le microscope rencontrent indirectement ce champ électromagnétique, ils perdent de l'énergie. En mesurant cette perte d'énergie, il devient possible de déduire les contours du champ électromagnétique entourant le cristal.

Le problème est que ce type de microscopie ne peut fournir que des images en 2D, poser la question de savoir comment visualiser tous les coins du cube, bords, et côtés. Afin de le faire, les scientifiques ont développé des techniques de reconstruction d'images qui ont, pour la première fois, généré des images 3D du champ entourant le cristal. Cela permettra à terme de cibler un point précis du cristal, et la réalisation de transferts thermiques localisés, par exemple.

De nombreux autres nano-objets absorbent la lumière infrarouge, comme lors des transferts de chaleur, et il sera désormais possible de fournir des images 3D de ces transferts. C'est une piste d'exploration pour optimiser la dissipation thermique dans les composants de plus en plus petits utilisés en nanoélectronique.