Un nouveau concept de microscopie entre en vigueur – Technoguide

Le développement des microscopes à sonde à balayage au début des années 80 a apporté une percée dans l’imagerie, ouvrant une fenêtre sur le monde à l’échelle nanométrique. L’idée clé est de scanner une pointe extrêmement pointue sur un substrat et d’enregistrer à chaque endroit la force de l’interaction entre la pointe et la surface. En microscopie à force à balayage, cette interaction est – comme son nom l’indique – la force entre la pointe et les structures à la surface. Cette force est généralement déterminée en mesurant comment la dynamique d’une pointe vibrante change lorsqu’elle balaye des objets déposés sur un substrat. Une analogie courante consiste à tapoter un doigt sur une table et à détecter des objets placés sur la surface. Une équipe dirigée par Alexander Eichler, Senior Scientist dans le groupe du Prof. Christian Degen au Département de Physique de l’ETH Zurich, a renversé ce paradigme. Écrivant dans Physical Review Applied, ils rapportent le premier microscope à force de balayage dans lequel la pointe est au repos tandis que le substrat avec les échantillons dessus vibre.

Queue remuant le chien

Faire de la microscopie forcée en “ faisant vibrer la table sous le doigt ” peut sembler rendre toute la procédure beaucoup plus compliquée. Dans un sens, c’est le cas. Mais maîtriser la complexité de cette approche inversée est très rentable. La nouvelle méthode promet de pousser la sensibilité de la microscopie à force à sa limite fondamentale, au-delà de ce que l’on peut attendre de nouvelles améliorations de l’approche conventionnelle du «tapotement des doigts».

La clé de la sensibilité supérieure est le choix du substrat. La «table» des expériences d’Eichler, Degen et de leurs collègues est une membrane perforée en nitrure de silicium, d’une épaisseur de 41 nm seulement. Les collaborateurs des physiciens de l’ETH, le groupe d’Albert Schliesser de l’Université de Copenhague au Danemark, ont établi ces membranes de faible masse comme des résonateurs nanomécaniques exceptionnels avec des «facteurs de qualité» extrêmes. Autrement dit, une fois que la membrane est basculée, elle vibre des millions de fois, voire plus, avant de s’immobiliser. Compte tenu de ces propriétés mécaniques exquises, il devient avantageux de faire vibrer la «table» plutôt que le «doigt». Au moins en principe.

Nouveau concept mis en pratique

Traduire cette promesse théorique en capacité expérimentale est l’objectif d’un projet en cours entre les groupes de Degen et Schliesser, avec le soutien théorique du Dr Ramasubramanian Chitra et du professeur Oded Zilberberg de l’Institut de physique théorique de l’ETH Zurich. À titre de jalon dans ce voyage, les équipes expérimentales ont maintenant démontré que le concept de microscopie à force à balayage à membrane fonctionne dans un appareil réel.

En particulier, ils ont montré que ni charger la membrane avec des échantillons ni amener la pointe à une distance de quelques nanomètres ne compromet les propriétés mécaniques exceptionnelles de la membrane. Cependant, une fois que la pointe s’approche de l’échantillon encore plus près, la fréquence ou l’amplitude de la membrane change. Pour pouvoir mesurer ces changements, la membrane comporte non seulement un îlot où la pointe et l’échantillon interagissent, mais également un second – couplé mécaniquement au premier – à partir duquel un faisceau laser peut être partiellement réfléchi, pour fournir une optique sensible. interféromètre.

Quantum est la limite

En mettant cette configuration en œuvre, l’équipe a réussi à résoudre les nanoparticules d’or et les virus de la mosaïque du tabac. Ces images servent de preuve de principe pour le nouveau concept de microscopie, mais elles ne poussent pas encore les capacités vers de nouveaux territoires. Mais la destination est juste là. Les chercheurs prévoient de combiner leur nouvelle approche avec une technique connue sous le nom de microscopie à force de résonance magnétique (MRFM), pour permettre l’imagerie par résonance magnétique (IRM) avec une résolution d’atomes uniques, fournissant ainsi un aperçu unique, par exemple, des virus.

L’IRM à l’échelle atomique serait une autre percée dans l’imagerie, combinant une résolution spatiale ultime avec des informations physiques et chimiques très spécifiques sur les atomes imagés. Pour la réalisation de cette vision, une sensibilité proche de la limite fondamentale donnée par la mécanique quantique est nécessaire. L’équipe est convaincue qu’elle peut réaliser un tel capteur de force «limité quantique», grâce à de nouvelles avancées dans l’ingénierie des membranes et la méthodologie de mesure. Avec la démonstration que la microscopie à force de balayage à membrane est possible, l’objectif ambitieux s’est maintenant rapproché d’un grand pas.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par le Département de physique de l’ETH Zurich. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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