Se concentrer sur l’avenir de la microscopie
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.
Ayant accompli cela, 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 au département de physique et d’astronomie du Collège des sciences naturelles. « Nous avons le plus beau microscope du pays. Nous devrions utiliser cela à notre avantage.
Avec son microscope, l’équipe de Cocker utilise la lumière et les électrons pour étudier des 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 des ordinateurs quantiques et des cellules solaires de prochaine 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 façon dont les électrons sont distribués 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 enthousiastes et fiers du travail. Nous avons aussi 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 l’étude Nature Communications, 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 de forme et de taille prédéterminées.
« Vous faites essentiellement cuire 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.
Le laboratoire suisse a envoyé les molécules à MSU, où le laboratoire de Cocker a fait pousser 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 creuser un tunnel de la pointe à l’échantillon. En enregistrant comment les électrons tunnel – par exemple, combien d’électrons tunnel et à quelle vitesse – le microscope construit 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 zoomions 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, ce travail a également remporté des prix pour 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. L’étudiant-chercheur diplômé Spencer Ammerman a remporté un prix pour avoir présenté ses travaux en novembre dernier lors d’une conférence organisée par l’Infrared, Millimeter and Terahertz Wave Society, qui a également décerné à Cocker son prix 2021 pour jeunes scientifiques.
Aussi enthousiastes que Cocker et son équipe soient au sujet 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 à l’intérieur des 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 attribuée en juin, ce qui signifie que les deux seuls microscopes comme celui-ci aux États-Unis seront tous les deux à MSU.
« Cet article est très excitant, mais ce n’est aussi que la première étape », a déclaré Cocker. « Nous pensons que cela va ouvrir beaucoup de possibilités. »
Référence
Ammerman SE, Jelic V, Wei Y, et al. Spectroscopie à effet tunnel par ondes lumineuses de nanorubans de graphène atomiquement précis. Nat Commun. 2021;12(1):6794. doi: 10.1038/s41467-021-26656-3
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