Contrôler la matière à l’échelle microscopique est un pré-requis à de nombreuses applications technologiques et pourrait ouvrir la voie à la mise en place de nouvelles expériences nanométriques. Dans ce cadre, des physiciens ont réussi la prouesse inédite de manipuler individuellement des molécules pendant quelques femtosecondes. 

Pour ce faire, les chercheurs de l’université de Bath (Royaume-Uni) ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM). Inventé en 1981, le STM est un microscope en champ proche utilisant l’effet de tunnel quantique pour déterminer la morphologie des objets à l’échelle atomique.

Dans leur expérience, les physiciens ont utilisé la pointe du STM pour observer des électrons individuels frapper les molécules à travers un faible courant. S’attendant à constater une hausse des réactions, comme c’est le cas dans cette expérience standard, les chercheurs ont été surpris de constater le contraire.

En augmentant le courant passant à travers la pointe du microscope, la réaction moléculaire n’a donc pas accéléré (comme cela aurait dû être le cas). Puis en cherchant à comprendre le phénomène, les physiciens se sont aperçus qu’ils avaient découvert un nouveau moyen de contrôler individuellement les molécules en rapprochant la pointe du microscope de celles-ci.

« Nos travaux offrent un nouveau moyen de contrôler les molécules individuelles et leur réaction » explique Peter Sloan, physicien et auteur principal de l’étude. « Cela constitue un nouveau cadre expérimental à l’intérieur duquel l’on peut effectuer nos tests. Travailler à ces échelles extrêmes s’avère difficile, mais, avec cette technique, nous disposons d’une résolution et d’une reproductibilité extrêmes ».

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« Ces données provenaient d’une expérience tout à fait standard que nous menions, car nous pensions avoir déjà épuisé tout le contenu intéressant de l’expérience ; il s’agissait simplement d’une vérification finale » explique la physicienne Kristina Rusimova. « Cependant, mes données paraissaient incorrectes  — tous les graphes étaient supposés montrer des valeurs en hausse, alors que les miennes étaient décroissantes ».

microscope effet tunnel electrons

Schéma de fonctionnement d’un microscope à effet tunnel. Lorsque la pointe atomique du microscope s’approche des atomes de l’échantillon, les électrons de la pointe réalisent un effet tunnel permettant d’interagir avec l’échantillon. Crédits : Jean-Jules Fifen

Ces anomalies ont finalement conduit les scientifiques à découvrir qu’en maintenant la pointe du STM entre 600 et 800 milliards de milliardième de mètre de la molécule, les électrons rebondissent 100 fois plus rapidement après l’impact. Cela signifie que des molécules de toluène peuvent être manipulées individuellement à partir d’une surface en silicium. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

Les physiciens pensent qu’il s’agit d’un nouvel état quantique nanométrique entre la pointe du STM et la molécule — un nouveau canal se crée, permettant aux électrons de se déplacer, réduisant leur temps d’interaction avec les molécules et diminuant ainsi les probabilités de réaction. Cela signifie également que les scientifiques, à l’inverse, en modifiant les conditions de l’expérience, peuvent contrôler avec une extrême précision les réactions moléculaires.

Les implications de cette découverte ne sont pas encore bien définies, mais celle-ci ouvre une voie prometteuse dans l’étude plus approfondie des phénomènes physiques se déroulant aux échelles nanométriques.

« L’objectif fondamental de ce travail est de développer des outils nous permettant de contrôler la matière à ces limites extrêmes. Que ce soit en brisant des liaisons chimiques que la nature ne permet généralement pas de briser, ou en produisant des structures moléculaires ordinairement interdites par la thermodynamique » conclut Sloan.

Source : Science

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