09 Mai Le microscope à torsion quantique : Un nouveau regard sur les matériaux quantiques

Une approche intelligente de la science de la twistronique offre de nouveaux moyens d’explorer les phénomènes quantiques.

Twistronique : Art de changer les propriétés de la matière en modifiant la place de quelques atomes

L’un des aspects frappants du monde quantique est qu’une particule, par exemple un électron, est également une onde, ce qui signifie qu’elle existe à plusieurs endroits en même temps. Dans une nouvelle étude, publiée dans Nature, des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences utilisent cette propriété pour mettre au point un nouveau type d’outil – le microscope à torsion quantique (QTM) – qui peut créer de nouveaux matériaux quantiques tout en observant simultanément la nature quantique la plus fondamentale de leurs électrons. Les résultats de l’étude pourraient être utilisés pour créer des matériaux électroniques dotés de fonctionnalités sans précédent.

Le QTM implique la « torsion », ou la rotation, de deux couches de matériaux atomiquement minces l’une par rapport à l’autre. Ces dernières années, cette torsion est devenue une source majeure de découvertes. Tout a commencé avec la découverte que le fait de placer deux couches de graphène, des feuilles cristallines de carbone d’un atome d’épaisseur, l’une au-dessus de l’autre avec un léger angle de torsion relatif, donne un « sandwich » aux propriétés nouvelles et inattendues. L’angle de torsion s’est avéré être le paramètre le plus critique pour contrôler le comportement des électrons : Le modifier d’un dixième de degré seulement peut faire passer le matériau d’un supraconducteur exotique à un isolant non conventionnel. Mais aussi critique qu’il soit, ce paramètre est également le plus difficile à contrôler dans les expériences. En général, pour tordre deux couches selon un nouvel angle, il faut construire un nouveau « sandwich » à partir de zéro, un processus très long et fastidieux.

« Notre motivation initiale était de résoudre ce problème en construisant une machine capable de tordre en continu deux matériaux quelconques l’un par rapport à l’autre, produisant ainsi facilement une gamme infinie de nouveaux matériaux », explique le chef d’équipe, le professeur Shahal Ilani, du Département de Physique de la Matière Condensée de Weizmann. « Cependant, en construisant cette machine, nous avons découvert qu’elle pouvait également être transformée en un microscope très puissant, capable de voir les ondes électroniques quantiques d’une manière inimaginable auparavant. »

Créer une image quantique
Les images jouent depuis longtemps un rôle central dans la découverte scientifique. Les microscopes optiques et les télescopes fournissent régulièrement des images qui permettent aux scientifiques de mieux comprendre les systèmes biologiques et astrophysiques. En revanche, la prise d’images d’électrons à l’intérieur de matériaux a longtemps été notoirement difficile, en raison des petites dimensions impliquées. La situation a changé il y a une quarantaine d’années avec l’invention du microscope à effet tunnel, qui a valu à ses concepteurs le prix Nobel de physique en 1986. Ce microscope utilise une aiguille atomiquement pointue pour balayer la surface d’un matériau, mesurer le courant électrique et construire progressivement une image de la distribution des électrons dans l’échantillon.

« De nombreuses sondes à balayage différentes ont été développées depuis cette invention, chacune mesurant une propriété électronique différente, mais toutes mesurent ces propriétés à un seul endroit à la fois. Ainsi, elles voient principalement les électrons comme des particules, et ne peuvent qu’apprendre appréhender indirectement leur nature ondulatoire », explique le professeur Ady Stern de l’Institut Weizmann des Sciences, qui a participé à l’étude avec trois autres physiciens théoriciens du même département : les Profs. Binghai Yan, Yuval Oreg et Erez Berg. « Il s’est avéré que l’outil que nous avons construit peut visualiser directement les ondes électroniques quantiques, ce qui nous permet de démêler les danses quantiques qu’elles effectuent à l’intérieur du matériau », explique Ady Stern.

Torsion (de gauche à droite, dans le sens des aiguilles d’une montre) : Jiewen Xiao, Prof. Ady Stern, Prof. Shahal Ilani, Prof. Erez Berg, Prof. Binghai Yan, Dr. John Birkbeck et Alon Inbar. Sur le mur : L’équation de Schroedinger pour la fonction d’onde de l’électron.

Repérer un électron à plusieurs endroits à la fois
L’astuce pour voir les ondes quantiques consiste à repérer le même électron à différents endroits en même temps », explique Alon Inbar, l’un des principaux auteurs de l’article. « La mesure est conceptuellement similaire à la célèbre expérience des deux fentes, qui a été utilisée il y a un siècle pour prouver pour la première fois que les électrons en mécanique quantique ont une nature ondulatoire », ajoute le Dr. John Birkbeck, un autre auteur principal. « La seule différence est que nous réalisons une telle expérience à l’extrémité de notre microscope à balayage ».

Pour y parvenir, les chercheurs ont remplacé la pointe atomiquement pointue du microscope à effet tunnel par un « palpeur » constitué d’une couche plate d’un matériau quantique, comme une couche unique de graphène. Lorsque cette couche est mise en contact avec la surface de l’échantillon concerné, elle forme une interface bidimensionnelle à travers laquelle les électrons peuvent passer par effet tunnel à de nombreux endroits différents. Du point de vue de la mécanique quantique, ils se déplacent par effet tunnel à tous les endroits simultanément, et les événements d’effet tunnel à différents endroits interfèrent les uns avec les autres. Cette interférence permet à un électron d’entrer par effet tunnel uniquement si ses fonctions d’onde des deux côtés de l’interface se correspondent exactement. « Pour voir un électron quantique, nous devons faire preuve de douceur », explique M. Ilani. « Si nous ne lui posons pas la question grossière « Où es-tu ? », mais que nous lui fournissons au contraire de multiples routes pour traverser dans notre détecteur sans que nous sachions où il a effectivement traversé, nous lui permettons de préserver sa fragile nature ondulatoire. »

Schéma en gros plan du microscope à torsion quantique en action. Les électrons passent par effet tunnel de la sonde (pyramide inversée en haut) à l’échantillon (en bas) en plusieurs endroits à la fois (lignes verticales vertes), de manière cohérente au niveau quantique.

Torsion et tunnel

En général, les ondes électroniques de la pointe et de l’échantillon se propagent dans des directions différentes et ne correspondent donc pas. Le QTM utilise sa capacité de torsion pour trouver l’angle auquel la correspondance se produit : En tordant continuellement la pointe par rapport à l’échantillon, l’outil fait en sorte que les fonctions d’onde correspondantes se tordent également l’une par rapport à l’autre. Une fois que ces fonctions d’onde correspondent des deux côtés de l’interface, un effet tunnel peut se produire. La torsion permet donc au QTM de cartographier la manière dont la fonction d’onde électronique dépend de la quantité de mouvement, de la même manière que les translations latérales de la pointe permettent de cartographier sa dépendance à la position. Le simple fait de savoir à quels angles les électrons traversent l’interface fournit aux chercheurs une grande quantité d’informations sur le matériau sondé. Ils peuvent ainsi connaître l’organisation collective des électrons dans l’échantillon, leur vitesse, leur distribution d’énergie, les modèles d’interférence et même les interactions des différentes ondes entre elles.

Prof. Yuval Oreg

Un nouveau regard sur les matériaux quantiques
Notre microscope donnera aux scientifiques un nouveau type de « lentille » pour observer et mesurer les propriétés des matériaux quantiques », explique Jiewen Xiao, un autre auteur principal.

L’équipe de l’Institut Weizmann des Sciences a déjà appliqué son microscope à l’étude des propriétés de plusieurs matériaux quantiques clés à température ambiante et se prépare maintenant à réaliser de nouvelles expériences à des températures de quelques degrés Kelvin, où l’on sait que certains des effets de mécanique quantique les plus excitants se produisent.

Pénétrer aussi profondément dans le monde quantique peut aider à révéler des vérités fondamentales sur la nature. À l’avenir, elle pourrait également avoir un effet considérable sur les technologies émergentes. Le QTM permettra aux chercheurs d’accéder à un éventail sans précédent de nouvelles interfaces quantiques, ainsi qu’à de nouveaux « yeux » pour découvrir les phénomènes quantiques qu’elles recèlent.