Un bond en avant dans la microscopie optique
Des chercheurs de Regensburg et de Birmingham surmontent une limitation fondamentale de la microscopie optique
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Des appareils photo des smartphones aux télescopes spatiaux, le désir de voir des détails de plus en plus fins est à l'origine des progrès technologiques. Pourtant, lorsque nous explorons des échelles de longueur de plus en plus petites, nous nous heurtons à une limite fondamentale fixée par la lumière elle-même. Comme la lumière se comporte comme une onde, elle ne peut pas être focalisée de manière arbitraire en raison d'un effet appelé diffraction. Par conséquent, les microscopes optiques conventionnels sont incapables de résoudre des structures beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière, ce qui place les éléments constitutifs de la matière hors de portée de l'observation optique directe.
Représentation artistique du mécanisme microscopique à l'origine de l'émission à effet tunnel en champ proche : La lumière laser pousse les électrons (sphères brillantes) à faire des allers-retours entre l'atome du sommet d'une pointe métallique acérée (en haut) et un échantillon (en bas), donnant lieu à une émission électromagnétique qui permet une microscopie entièrement optique à l'échelle atomique.
© Brad Baxley, PtW
Des chercheurs du Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy, en collaboration avec des collègues de l'université de Birmingham, ont trouvé un nouveau moyen de surmonter cette limitation. En utilisant des lasers à ondes continues standard, ils ont réalisé des mesures optiques à des distances comparables à l'espacement entre les atomes individuels.
Ils obtiennent cette incroyable résolution en approchant une pointe métallique acérée extraordinairement près de la surface d'un matériau étudié, séparée par un espace plus petit que la taille d'un seul atome. Un laser à ondes continues illumine le système, "comprimant" la lumière infrarouge dans le minuscule espace et la concentrant à l'apex de la pointe. Le fait de confiner la lumière de cette manière permet de contourner la limite de diffraction et d'obtenir une résolution spatiale de l'ordre du rayon de courbure de l'apex de la pointe, soit environ 10 nanomètres.
Bien que cela représente déjà une amélioration considérable par rapport aux techniques conventionnelles de champ lointain, cette résolution est encore trop grossière d'un facteur 30 pour résoudre les caractéristiques à l'échelle atomique. Déterminée à trouver la limite absolue de la résolution spatiale, l'équipe a continué à rapprocher la pointe de la surface. Ce qui s'en est suivi les a tous surpris. "À de très petites distances, le signal a augmenté de façon spectaculaire", explique Felix Schiegl, de l'université de Ratisbonne. "Nous n'avons pas compris tout de suite ce qui se passait. La vraie surprise est venue lorsque nous avons réalisé que nous résolvions des caractéristiques à l'échelle atomique jusqu'à 0,1 nanomètre".
L'explication réside dans la mécanique quantique. Bien que la pointe et la surface ne se touchent pas physiquement au sens classique du terme, les électrons peuvent toujours passer d'une extrémité à l'autre. Le champ électrique de la lumière infrarouge, qui oscille en permanence, oblige les électrons à faire des allers-retours entre la pointe et la surface. À l'instar des électrons oscillant dans une antenne radio, ce mouvement produit un faible signal électromagnétique - et les chercheurs ont pu détecter cette émission optique à effet tunnel en champ proche (NOTE).
"Il est remarquable qu'un seul électron se déplaçant sur une distance inférieure à la taille d'un atome tous les cent cycles de lumière puisse déjà produire une lumière suffisamment forte pour que nous puissions la détecter", explique le Dr Tom Siday de l'université de Birmingham. À partir de cette lumière émise, le mouvement des électrons entre la pointe et l'échantillon - et donc les propriétés des matériaux telles que la conductivité - peut être mesuré avec une précision à l'échelle atomique. "L'étape décisive est que nous ne sommes plus limités par l'étroitesse du confinement de la lumière", explique Valentin Bergbauer de l'université de Regensburg. "Au lieu de cela, nous contrôlons et mesurons directement le mouvement quantique des électrons confiné aux dimensions atomiques - un saut quantique qui pousse la microscopie optique à des échelles de longueur près de cent mille fois plus petites que ce que les microscopes conventionnels basés sur la lumière peuvent résoudre". Il est important de noter que cet effet peut être obtenu à l'aide d'un laser à ondes continues standard, plutôt qu'à l'aide de lasers ultrarapides, plus puissants mais plus coûteux, que l'on pensait auparavant nécessaires. Cette simplicité pourrait contribuer à rendre la technique plus largement accessible et à accélérer son adoption dans les laboratoires du monde entier.
Les travaux montrent que les mesures optiques peuvent désormais atteindre des distances que l'on croyait inaccessibles, grâce au contrôle précis de pointes atomiquement acérées. À l'avenir, cette nouvelle approche pourrait permettre aux scientifiques d'étudier comment les matériaux interagissent avec la lumière à l'échelle des atomes individuels, ce qui permettrait de comprendre comment les processus microscopiques à ces échelles minuscules déterminent fondamentalement les propriétés macroscopiques des matériaux.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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