La microscopie à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscopy ou STM en anglais) est une technique développée dans les laboratoires d'IBM à Zurich par Gerd Binning et Heinrich Rohrer (Prix Nobel de Physique en 1986). Cette technique est basée sur un phénomène physique connu depuis les origines de la mécanique quantique, l'effet tunnel. Un microscope à effet tunnel est constitué de deux électrodes de conductivité raisonnable dont l'une a la forme d'une pointe et l'autre est la surface du film à étudier. La distance pointe-échantillon est de l'ordre de quelques angströms. Si une tension de polarisation est appliquée entre la pointe et la surface, les électrons ont une probabilité non nulle de passer d'une électrode à l'autre et un courant tunnel va donc naître.
Le principe de l'expérience consiste à déplacer la pointe au-dessus de la surface du film (à l'aide de céramiques piézo-électriques) en maintenant le courant tunnel constant par un dispositif d'asservissement. Ainsi la distance pointe-échantillon reste constante et l'enregistrement des déplacements verticaux de la pointe reproduit alors fidèlement la topographie de la surface. Si la pointe est suffisamment fine (micro-pointe de quelques angströms), le relief observé peut avoir la résolution atomique.
L'expérience de microscopie à effet tunnel peut également fonctionner en mode spectroscopique (Scanning Tunneling Spectroscopy ou STS). Dans ce ca de figure, la pointe est maintenue fixe par rapport à la surface de l'échantillon à une position donnée. Le module d'asservissement est ouvert et une rampe de tension V(t) est appliquée entre la pointe et la surface de l'échantillon. Pour chaque tension appliquée le courant tunnel est mesuré et l'étude des caractéristiques courant-tension et de leurs dérivées permet d'accéder à la densité locale d'états électroniques en surface.

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Paris, 29 novembre 2011

Une nouvelle technique pour voir les cristaux comme jamais
Une équipe européenne menée par des chercheurs de l'Institut Fresnel (CNRS/Universités Aix-Marseille 1 et 3/Ecole centrale de Marseille) et de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) à Grenoble vient de mettre au point une nouvelle technique permettant de voir la structure nanométrique, jusque-là inaccessible, des matériaux cristallins (1). Grâce à un faisceau microscopique de rayons X, cette technologie révèle en 3D et en haute résolution des plages très étendues de l'échantillon analysé. De quoi révolutionner la recherche dans diverses disciplines où l'on étudie des structures cristallines complexes, comme les sciences du vivant ou la microélectronique. Cette méthode fait l'objet d'une publication dans la revue Nature Communications du mardi 29 novembre.
Jusqu'ici, il existait deux techniques pour analyser de près les matériaux cristallins contenant des imperfections, avec chacune leurs limites. D'un côté, la « diffraction des rayons X » classique (2), qui permet d'acquérir, en 2D et sans abîmer l'échantillon, des informations sur les  défauts de régularité dans l'échantillon, mais avec une résolution limitée de l'ordre du micromètre (10-6 m). Et de l'autre côté, la microscopie électronique en transmission (MET) dotée d'une bien meilleure résolution (10-10 m), fournissant une « vraie » image du cristal, mais destructive.

La technique développée par Virginie Chamard, chercheur CNRS à l'institut Fresnel et ses collègues surmonte les limitations de ces deux méthodes en cumulant leurs avantages : elle produit des images 3D haute résolution - de quelques dizaines de nanomètres (10-9 m) -, sans détruire l'échantillon, et apporte autant d'informations que la diffraction classique des rayons X. De plus, elle permet d'analyser des régions très étendues, potentiellement infinies. Concrètement, cette nouvelle technique consiste à focaliser, sur l'échantillon à analyser, un faisceau de rayons X microscopique, produit par un synchrotron (3). Dans ces travaux, les chercheurs ont utilisé le synchrotron européen (ESRF) de Grenoble. Pendant que le faisceau balaie l'échantillon, un détecteur capte l'intensité des rayons X « diffractés » (déviés) par l'échantillon et permet, ainsi, d'acquérir une série de « clichés de diffraction ». Ceux-ci sont ensuite traités par un algorithme, qui produit une image 3D de l'ensemble de l'échantillon avec des détails plus petits que la largeur du faisceau.

Les bases de cette technique dite « ptychographie » ont été imaginées en 1969 par le physicien allemand Walter Hoppe. Celui-ci y songea dans un autre but : améliorer la résolution du microscope électronique. Virginie Chamard et son équipe ont dû les adapter à l'imagerie des cristaux. Un travail qui a nécessité trois ans.

Mettre au point un tel procédé était crucial pour relever plusieurs grands défis tant scientifiques que technologiques  comme par exemple comprendre la croissance des coquillages, contrôler les propriétés optiques des semi-conducteurs ou améliorer les performances électriques des métaux (les coquillages, les semi-conducteurs et les métaux étant des matériaux cristallins complexes).

Notes :
(1) Matériaux formés d'un arrangement d'atomes ou de molécules répétitif dans les trois directions de l'espace.
(2) Technique qui mesure l'intensité d'un faisceau de rayons X dévié par l'échantillon.
(3) Source de rayons X extrêmement brillants, produit par des électrons circulant dans un accélérateur à haute énergie.

Références :
Three-dimensional high-resolution quantitative microscopy of extended crystals, P. Godard et col., Nature Communications, 29 novembre 2011.

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Paris, 8 mars 2012

Première mesure de l'énergie minimum nécessaire pour inscrire un bit informatique

Dans un ordinateur, l'écriture ou l'effacement d'un bit d'information nécessite forcément de dépenser une énergie dont la plus petite valeur possible est donnée par le principe de Landauer. Cette importante prédiction physique qui fait le lien entre la théorie de l'information et la thermodynamique vient pour la première fois d'être vérifiée expérimentalement par des chercheurs du Laboratoire de physique de l'Ecole normale supérieure de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec un groupe allemand de l'Université de Augsburg. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature du 8 mars 2012.
Peut-on imaginer mettre au point un ordinateur parfait capable d'effectuer des opérations logiques sans consommer aucune énergie ? A cette question, Rolf Landauer a répondu non en 1961. Le physicien américain avait en effet remarqué qu'à chaque fois qu'un bit d'information est créé, la mémoire binaire de l'ordinateur se voit réduite à un seul de ses deux états possibles. Faisant le lien avec la thermodynamique, Landauer a proposé que cette diminution du désordre exige pour être réalisée une quantité minimale d'énergie dont la valeur est aujourd'hui connue sous le nom de limite de Landauer (1). Vérifiée par des simulations numériques, cette énergie extrêmement faible (un milliard de fois plus petite que l'énergie nécessaire pour réchauffer d'un degré un micron cube d'eau) n'avait encore jamais été mesurée expérimentalement.

Dans l'expérience des chercheurs, c'est une bille en silice de 2 microns qui a joué le rôle du bit d'information. Plongée dans un liquide, la particule a été immobilisée par le faisceau extrêmement focalisé d'un laser, un instrument appelé ''pince optique'' couramment utilisé par les physiciens ou les biologistes. Pour leur expérience qui exige une très grande précision, les chercheurs ont conçu et construit eux-mêmes le dispositif de manière à le rendre totalement stable et insensible aux perturbations extérieures. Un deuxième piège optique identique a ensuite été focalisé juste à côté du premier. La bille microscopique peut ainsi occuper indifféremment deux positions possibles, tout comme un bit d'information peut prendre la valeur 0 ou 1. Les chercheurs ont ensuite créé un petit écoulement dans le liquide, de la droite vers la gauche, obligeant la particule à finir sa course dans le piège de gauche. Comme si on imposait au bit de prendre la valeur 1 par exemple.
Répété un très grand nombre de fois, ce cycle a été filmé par une caméra rapide à plus de 1 000 images par seconde. Connaissant avec précision la position de la particule, la vitesse d'écoulement du fluide ainsi que sa viscosité, les chercheurs ont pu ainsi mesurer l'énergie moyenne nécessaire pour faire passer la bille du piège de droite vers le piège de gauche. Et ils ont alors remarqué que pour des vitesses d'écoulement très lentes, cette énergie était minimale et correspondait précisément à la limite de Landauer.

Si en informatique, le résultat n'offre pas de perspectives immédiates, nos ordinateurs étant encore très loin de fonctionner à la limite de Landauer, les nanotechnologies en revanche pourraient en bénéficier dans un futur proche. L'énergie dépensée par un système nanométrique est en effet comparable à celle mesurée par les chercheurs. Un paramètre important à prendre en compte si l'on veut mettre au point des machines miniatures capables de travailler avec une grande efficacité.

Notes :
(1) Elle correspond à kTln(2) où k est la constante de Boltzmann et T la température et vaut environ 10-21 Joules à température ambiante.

Références :
''Experimental verification of Landauer's principle linking information and thermodynamics''. A. Bérut, A. Arakelyan, A.Petrosyan, S. Ciliberto, R.Dillenschneider, E.Lutz, dans la revue Nature du 8 mars 2012

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Paris, 16 avril 2012

Première visualisation de la transformation du sable en verre
Déjà connu des anciens Égyptiens, le verre est l'un des matériaux les plus anciens fabriqués par l'homme. Pourtant, sa formation à partir de poudres granulaires chauffées à plus de 1000°C comporte encore des zones d'ombre. Pour la première fois, une équipe pilotée par le laboratoire Surface du verre et interfaces (CNRS/Saint-Gobain) (1), est parvenue à visualiser la formation de ce matériau en temps réel et de l'intérieur même de l'échantillon grâce à la tomographie X, technique d'imagerie 3-D. Ces expériences, réalisées à l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), permettent de mieux comprendre comment les différentes matières premières réagissent entre elles pour se transformer en verre. L'une des motivations de ces travaux, publiés sur le site de The Journal of the American Ceramic Society, est d'obtenir du verre de bonne qualité à des températures inférieures à celles utilisées actuellement par l'industrie.
Les chercheurs ont étudié un mélange proche de celui utilisé pour fabriquer le verre à vitres, composé de deux tiers de sable de silice, et d'un tiers de carbonates de sodium et de calcium. Dans les fours industriels, ce mélange est porté à 1500°C et doit rester plusieurs jours dans le four pour supprimer les bulles ou les défauts cristallins. Le processus demande donc beaucoup d'énergie, et l'un des enjeux industriels est d'obtenir du verre de bonne qualité à des températures moins élevées. Mais pour cela, il est nécessaire de comprendre les différentes étapes de la transformation des matières premières, ainsi que le couplage entre les réactions chimiques et la microstructure du mélange initial.

Pour ce faire, les chercheurs ont observé, pour la première fois, la réaction en train de se produire grâce à la tomographie X. La puissante ligne de lumière ID15a du synchrotron européen situé à Grenoble, a permis d'obtenir in situ une image en 3D toutes les quinze secondes de la réaction en cours, et ceci avec une résolution spatiale de 1,6 microns. Ainsi, les chercheurs ont pu observer les contacts qui s'opèrent entre les éléments présents, et la transformation de matériaux granulaires en verre fondu.

Ces images uniques révèlent l'importance des contacts entre grains d'espèces différentes. Ce sont eux qui déterminent si les réactions menant à la production du verre liquide se produisent ou pas. Par exemple, selon l'absence ou la présence de tels contacts, le carbonate de calcium peut soit être incorporé à un liquide très réactif, soit produire des défauts cristallins. Les chercheurs ont aussi été surpris de la haute réactivité du carbonate de sodium à l'état solide: sa grande mobilité avant la fonte des matériaux augmente le nombre de contacts avec les autres grains, ce qui favorise les réactions.

Les chercheurs veulent à présent réaliser de nouvelles expériences en faisant varier la taille des grains ou la montée en température. À long terme, ces travaux fondamentaux pourraient donner des clés pour réduire la quantité de défauts produits au début de la formation du verre, et trouver ainsi des procédés de fabrication plus rapides et moins gourmands en énergie. En outre, ils espèrent développer les méthodes d'imagerie et de traitement des données pour permettre aux chercheurs et aux industriels d'imager la transformation d'autres mélanges granulaires réactifs intervenant dans l'élaboration de verres et matériaux différents.

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