Un microscope pour les atomes magnétiques

Les philosophes de la Grèce antique supposaient déjà que la matière était composée d'atomes. Les atomes n'ont toutefois été rendus directement visibles qu'il y a 35 ans à peine - à Zurich. Le microscope à balayage à effet tunnel développé par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer a permis d'examiner les surfaces des matériaux avec une résolution spatiale de moins d'un nanomètre, ce qui est suffisant pour voir des atomes individuels.

Des chercheurs autour d'Urs Ramsperger et de Danilo Pescia au laboratoire de physique des solides de l'ETH Zurich, en collaboration avec un collègue de l'université technique d'Istanbul, ont maintenant élargi les possibilités de tels microscopes extrêmes d'un détail décisif. Comme ils le rapportent dans la revue spécialisée Scientific Reports, ils ont réussi à mesurer la magnétisation d'un matériau avec une résolution spatiale de quelques nanomètres. A l'avenir, cette technologie pourrait être utile aussi bien pour l'imagerie de matériaux magnétiques que pour le développement de nouvelles méthodes de traitement de l'information.

Une technologie qui ne devrait pas exister

La particularité de cette nouvelle technologie est qu'elle ne devrait en fait pas fonctionner du tout. En effet, pour dissoudre des atomes individuels, une pointe métallique est approchée de la surface du matériau à des distances atomiques de l'ordre du nanomètre dans un microscope à balayage à effet tunnel. Selon les règles de la mécanique quantique, à des distances aussi courtes, des électrons peuvent passer par effet tunnel de la pointe métallique dans le matériau et générer ainsi un courant qui permet ensuite de produire une image de la surface.

Les chercheurs de l'ETH ont alors augmenté cette distance à plusieurs nanomètres et ont eu deux surprises, comme l'explique Danilo Pescia : "D'une part, nous avions encore une très bonne résolution spatiale malgré la distance plus élevée, et d'autre part, nous avons pu extraire des électrons de la région du tunnel - alors que les calculs avaient montré que cela ne devait pratiquement pas être possible."Normalement, les électrons qui passent en tunnel dans le matériau à partir de la pointe du métal sont piégés dans cet espace et, selon la théorie, ils ne devraient que très rarement quitter la région du tunnel, même à de grandes distances.

Informations dans le spin électronique

Les électrons extraits contiennent toutefois des informations précieuses. Leur spin, en particulier, est intéressant pour les chercheurs, car il permet de savoir si les atomes du matériau à étudier sont magnétisés et dans quelle direction. Le spin ressemble à une rotation interne des électrons, mais dans la pratique, il ne donne qu'un très petit signal de mesure. Sa détection est donc un grand défi technique, en particulier dans les conditions difficiles d'une expérience en tunnel.

Dans leur expérience, les scientifiques ont appliqué une tension électrique appropriée à la pointe métallique d'un microscope à effet tunnel à balayage, ce qui a permis aux électrons de sortir sans une direction de spin spécifique. Lorsqu'ils rencontraient des atomes magnétiques - des atomes qui ont eux-mêmes un spin - leur spin était transmis aux électrons extraits de la région du tunnel. Enfin, le spin de ces électrons a été détecté à l'aide d'un détecteur de spin. De cette manière, il a été possible de mesurer l'aimantation dans le matériau avec une résolution spatiale de cinq nanomètres.

?chec des tentatives précédentes

Une expérience similaire avait déjà été tentée il y a près de trente ans, tant chez IBM Zurich qu'au National Institute of Standards and Technology aux ?tats-Unis. Mais l'objectif d'obtenir une image à résolution spatiale de l'état magnétique n'avait pas été atteint. Les chercheurs de l'ETH sont satisfaits d'y être parvenus malgré les prédictions négatives. Ils travaillent maintenant à comprendre ce succès inattendu sur le plan théorique et à repousser les limites de cette technologie nouvellement apparue. Aux Etats-Unis aussi, on constate actuellement un regain d'intérêt pour des instruments similaires à celui développé à l'ETH, et la National Science Foundation encourage généreusement les projets correspondants.

De multiples applications possibles

Pour Urs Ramsperger et Danilo Pescia, cette histoire contient une le?on claire : "Dans l'enseignement et la recherche, il ne faut pas avoir peur de tenter l'impossible", disent-ils, ajoutant : "Parfois, cela fonctionne mieux dans la pratique que dans la théorie - le papier n'est que du papier."Ce courage a maintenant porté ses fruits et, espèrent les chercheurs, conduira à de nombreuses applications. On pourrait par exemple étudier les propriétés magnétiques des matériaux en temps réel avec une résolution d'un trillionième de seconde. ?tant donné que dans l'expérience actuelle, une tension électrique a été convertie en spin (ce qui en fait un exemple de "spintronique" moderne), il devrait également être possible de manipuler de manière ciblée l'aimantation d'atomes individuels.