Un schéma représentant une mesure de microscopie où une impulsion de lumière laser (courbe rouge) illumine une aiguille atomiquement pointue (en haut) positionnée au-dessus de la surface de l'échantillon. Le nanoruban de graphène repose sur un substrat en or. Les données expérimentales sont affichées en bleu, révélant la distribution des électrons au-dessus du nanoruban. Crédit :Spencer Ammerman
Lorsque le physicien Tyler Cocker a rejoint la Michigan State University en 2018, il avait un objectif clair :construire un microscope puissant qui serait le premier du genre aux États-Unis.
Cela fait, il était temps de mettre le microscope au travail.
"Nous savions que nous devions faire quelque chose d'utile", a déclaré Cocker, titulaire de la chaire Jerry Cowen en physique expérimentale du département de physique et d'astronomie du Collège des sciences naturelles. "Nous avons le meilleur microscope du pays. Nous devrions l'utiliser à notre avantage."
Avec son microscope, l'équipe de Cocker utilise la lumière et les électrons pour étudier les matériaux avec une intimité et une résolution inégalées. Les chercheurs peuvent voir des atomes et mesurer des caractéristiques quantiques dans des échantillons qui pourraient devenir les éléments constitutifs d'ordinateurs quantiques et de cellules solaires de nouvelle génération.
L'équipe a donné au monde le premier aperçu de ces capacités le 23 novembre dans la revue Nature Communications , prenant des instantanés de la distribution des électrons dans ce que l'on appelle les nanorubans de graphène.
"C'est l'une des premières démonstrations que ce type de microscope peut vous dire quelque chose de nouveau", a déclaré Cocker. "Nous sommes très excités et fiers du travail. Nous avons également toutes ces idées en tête sur la direction que nous voulons prendre."
L'équipe de Cocker fait partie d'une collaboration qui travaille à développer ces nanorubans en qubits, prononcés "q-bits", pour les ordinateurs quantiques. La collaboration s'étend sur cinq institutions et le travail est soutenu par une subvention de l'Office of Naval Research qui fournira plus d'un million de dollars à la contribution de MSU.
Pour la Communication Nature étude, Cocker s'est associé au groupe de recherche de Roman Fasel, professeur aux Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux. Fasel a inventé ce qu'on appelle la méthode de croissance ascendante pour les nanorubans de graphène. Le laboratoire de Fasel a synthétisé des molécules qui, avec l'ajout de chaleur, peuvent se transformer en rubans avec une forme et une taille prédéterminées.
"Vous cuisez essentiellement les molécules comme un gâteau", a déclaré Cocker. "Ensuite, les propriétés du ruban que vous obtenez sont prédéfinies. Vous savez ce que vous obtenez avant de commencer."
Une illustration montre des nanorubans de graphène sur un substrat en or. Les données expérimentales révélées par le microscope de l'État du Michigan sont indiquées en bleu au-dessus des rubans. Crédit :Spencer Ammerman
Le laboratoire suisse a envoyé les molécules à MSU, où le laboratoire de Cocker a développé les rubans de précision, puis les a examinés avec son microscope. La base de l'instrument est ce qu'on appelle un microscope à effet tunnel, ou STM, qui rapproche une pointe ou une sonde très pointue de l'échantillon étudié sans le toucher.
Même si la pointe et l'échantillon ne sont pas en contact, les électrons peuvent toujours sauter ou tunnel de la pointe à l'échantillon. En enregistrant la façon dont les électrons tunnelisent (par exemple, combien d'électrons tunnel et à quelle vitesse), le microscope crée des images haute résolution de l'échantillon et de ses propriétés.
Ce que Cocker et son équipe ont fait, c'est coupler ce STM conventionnel avec des impulsions de lumière laser extrêmement courtes, ce qui leur permet de rapprocher encore plus la pointe du STM de l'échantillon. En conséquence, ils sont capables d'extraire des informations plus détaillées d'un échantillon que jamais auparavant.
"C'est presque comme si nous faisions un zoom avant en rapprochant physiquement la pointe", a-t-il déclaré.
L'équipe a ensuite pu caractériser différents nanorubans avec une résolution atomique, révélant des informations d'une clarté sans précédent sur la façon dont les électrons sont distribués au sein de la structure.
En plus d'une publication, cet ouvrage a également valu des prix à ses auteurs spartiates. Le chercheur postdoctoral Vedran Jelic a remporté un prix pour son affiche sur la recherche lors d'un récent atelier en Allemagne. Le chercheur étudiant diplômé Spencer Ammerman a remporté un prix pour avoir présenté ses travaux en novembre dernier lors d'une conférence organisée par la Infrared, Millimeter and Terahertz Wave Society, qui a également décerné à Cocker son prix du jeune scientifique 2021.
Aussi excités que soient Cocker et son équipe à propos du nouveau journal et de ces distinctions, ils attendent avec impatience la suite. Par exemple, l'équipe travaille sur le passage d'images fixes à des films d'échantillons, montrant comment les électrons se déplacent dans les rubans lorsque le nanomatériau absorbe la lumière.
Les chercheurs construisent également un deuxième microscope avec le soutien d'une subvention du ministère de la Défense accordée en juin, ce qui signifie que les deux seuls microscopes comme celui-ci aux États-Unis seront tous deux à la MSU.
"Cet article est très excitant, mais ce n'est aussi qu'un premier pas", a déclaré Cocker. "Nous pensons que cela va ouvrir beaucoup de possibilités." Une stratégie pour contrôler la polarisation de spin des électrons à l'aide d'hélium
