Une nouvelle étude en nanosciences menée par un chercheur du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie examine dans son ensemble la façon dont les scientifiques étudient les matériaux aux plus petites échelles.

L'article, publié dans Science Advances , passe en revue les principaux travaux en nanométrologie souterraine, la science de la mesure interne à l'échelle nanométrique, et suggère que la détection quantique pourrait devenir le fondement de la prochaine ère de découvertes dans ce domaine. Les applications potentielles pourraient aller de la cartographie des structures intracellulaires pour l'administration ciblée de médicaments à la caractérisation des matériaux quantiques et des nanostructures pour l'avancement de l'informatique quantique.

"Notre objectif était de définir l'état de l'art et d'examiner ce qui a été fait et où nous devons aller", a déclaré Ali Passian, chercheur scientifique principal de l'ORNL et auteur principal de l'étude.

"Tout le monde veut savoir ce qui se trouve sous la surface des matériaux, mais découvrir ce qui s'y trouve réellement s'avère incroyablement difficile, quelle que soit l'échelle. Nous espérons inspirer une nouvelle génération de scientifiques à relever ce défi en exploitant les phénomènes quantiques ou quelles que soient les opportunités les plus prometteuses. peut-être, afin que nous puissions repousser les limites de la science de la détection et de l'imagerie vers de plus grandes découvertes et compréhension. "

Les particules à l'échelle nanométrique constituent les éléments constitutifs de la science quantique, juste assez petites pour permettre aux scientifiques de modifier les principales propriétés des matériaux avec une précision maximale. Un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre, un millionième de millimètre et un millième de micromètre. Par exemple, une feuille de papier moyenne a une épaisseur d'environ 100 000 nanomètres.

Passian et le co-auteur Amir Payam de l'Université d'Ulster suggèrent que le niveau nanométrique pourrait être non seulement le lieu où se forment des assemblages moléculaires complexes de systèmes biologiques tels que les membranes cellulaires, mais également celui où les dimensions de matériaux émergents tels que les métasurfaces et les matériaux quantiques s'alignent. Jusqu'à présent, il s'agit d'une opportunité sous-explorée, concluent-ils.

Des outils révolutionnaires tels que le microscope à sonde à balayage, qui utilise une sonde à pointe pointue pour inspecter des échantillons au niveau atomique, ont contribué à accélérer les progrès dans la nanométrologie des surfaces. Les études souterraines ont réalisé moins de percées comparables, notent les auteurs.

"Tous nos sens sont orientés vers les surfaces", a déclaré Passian. "Bien que cela reste difficile, nous avons étendu notre portée à l'échelle nanométrique en perturbant d'une manière ou d'une autre le matériau à l'aide de lumière, de son, d'électrons et de minuscules aiguilles. Mais une fois là-bas, mesurer ce qui se trouve en dessous reste extrêmement difficile. Nous avons besoin de nouvelles méthodes qui nous permettent de scruter l'intérieur de ces éléments. matériaux tout en les laissant intacts. La science quantique peut offrir des opportunités ici, en particulier la détection quantique, où par exemple, les états quantiques de la sonde, de la lumière et de l'échantillon pourraient être capitalisés. "

Les auteurs suggèrent que les techniques de détection quantique, actuellement aux premiers stades de développement, pourraient être la clé des progrès dans l’exploration souterraine. Les sondes quantiques, par exemple, pourraient utiliser des skyrmions (des quasiparticules subatomiques créées par des perturbations dans les champs magnétiques et déjà à l'étude pour d'autres applications quantiques) pour sonder plus profondément que ne le permettent les techniques actuelles.

"Les gens travaillent dur pour repousser les limites de la détection et créer de nouvelles modalités de mesure", a déclaré Passian. "Je pense que les prochaines années seront passionnantes en termes de matérialisation et de mise en œuvre conviviale de ces techniques pour parvenir à la nanométrologie quantique des surfaces et des régions souterraines."

Plus d'informations : Amir Farokh Payam et al, Imagerie au-delà de la région de la surface :Sonder les matériaux cachés via la microscopie à force atomique, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adg8292

Informations sur le journal : Progrès scientifiques

Fourni par le Laboratoire national d'Oak Ridge