Au coeur de la nanoscience

Publié le par Cristal

Physique

Les nanosciences permettent aujourd'hui d'aborder sous un regard neuf la recherche en physique fondamentale, de l'optique à l'électronique, en passant par l'acoustique. Reportage à l'Institut des nanosciences de Paris (1), haut lieu de la recherche sur l'infiniment petit.

C'est bien connu : en physique, un bon poster vaut tous les longs discours. Aussi, Jean-Marc Frigerio, professeur à l'université Pierre et Marie Curie, entraîne-t-il rapidement le visiteur hors de son bureau afin de lui en montrer un, accroché dans le couloir. « Comme vous le constatez : quand la taille varie, la couleur change », dit-il en désignant, au milieu d'un fouillis de courbes et de schémas, une figure bigarrée. Cette série de sphères alignées par ordre de taille représente « des particules de deux à huit millionièmes de millimètre – ou nanomètres – faites d'une même matière fluorescente ». Alors qu'à l'état massif, cette substance émet de la lumière dans l'infrarouge proche, le fait de l'avoir façonnée sous forme de « poussières » nanométriques a décalé son émission dans le visible : les plus petites sphères émettent dans le bleu et les plus grandes dans le rouge ! Une « preuve », selon le physicien, que les propriétés de la fluorescence sont modifiées lorsqu'un matériau est « confiné » dans un volume de quelques nanomètres cubes…

Nano-investigations
À l'Institut des nanosciences de Paris (INSP), nombreuses sont les équipes qui, comme celle de Jean-Marc Frigerio, travaillent à caractériser des phénomènes à cette échelle. Ces études fondamentales ont même largement contribué à la réputation de ce centre, créé en 2005 par la réunion de quatre laboratoires du campus de Jussieu, afin d'assurer le développement des technologies pour la recherche sur l'infiniment petit.
Avec un effectif de 200 personnes, dont 89 chercheurs, l'Institut des nanosciences de Paris, dont le siège est installé provisoirement sur le site de l'ancien hôpital Boucicaut, dans le XVe arrondissement, est l'un des hauts lieux en France où s'exerce cette activité multidisciplinaire. Car si les scientifiques qui travaillent ici ont tous en commun de s'intéresser au monde de l'infiniment petit, leurs objets d'études varient, eux, énormément : optique, électronique, acoustique, catalyse, surfaces et supraconducteurs !
C'est qu'avec l'arrivée dans les années 1980 des premiers microscopes à effet tunnel et à force atomique2, puis le développement des procédés de manipulation de la matière au niveau du nanomètre3, « les scientifiques n'ont pas seulement gagné la possibilité de fabriquer des objets petits à l'extrême », explique Bernard Perrin, directeur de l'institut depuis janvier 2009, « ils ont également acquis de puissants moyens d'investigation », grâce auxquels ils peuvent maintenant réaliser des expériences qui leur étaient jusque-là inaccessibles. Et ainsi étudier, à l'échelle qui leur est la mieux adaptée, un ensemble de phénomènes afin de mettre en évidence certaines de leurs propriétés cachées.
 
bancs d'optique

© H. Raguet/CNRS Photothèque

Ces bancs d'optique permettent de produire des sons de l'ordre du million de millions de hertz.




À l'écoute des matériaux
Première étape de la visite dans ce temple de la haute technologie au service de l'étude du monde lilliputien : Bernard Perrin nous explique l'énorme potentiel du « sonar nanométrique », une technique qui permet de mesurer, à quelques millionièmes de millimètres près, l'épaisseur des matériaux en y générant des ondes sonores à l'aide de lasers. En poussant dans ses derniers retranchements le principe de ce procédé, employé par l'industrie électronique, l'équipe de Bernard Perrin est l'une des rares au monde à avoir réussi à produire des sons à des fréquences aussi élevées que le térahertz (un million de millions de hertz).
Ouvrant grand les portes d'un laboratoire, le même chercheur présente avec fierté d'énormes bancs d'optique sur lesquels s'entassent des dizaines de filtres, de miroirs et de séparateurs. Grâce à eux, les scientifiques qui s'affairent ici peuvent diriger la lumière d'un laser femtoseconde4 sur un échantillon spécialement fabriqué par le Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN) du CNRS à Marcoussis. Ce « super réseau » constitué d'un empilement de couches de matériaux, épaisses chacune de quelques nanomètres, agit comme un filtre sur les ondes acoustiques et peut les confiner. Il est utilisé comme émetteur-récepteur de sons ultrapurs et de très hautes fréquences. Ces « super-ultrasons », en raison de leur grande longueur de pénétration dans les solides, pourraient par exemple servir un jour à imager des nano-objets enterrés dans des matériaux massifs.

Le microscope du Nanofroid
Un peu plus loin, dans une ancienne salle de chirurgie, trône l'impressionnante machine de Dimitri Roditchev. Haut de six mètres et pesant deux tonnes, cet incroyable assemblage de métal et de verre d'où sort une myriade de fils permet à ce directeur de recherche CNRS d'étudier, à l'échelle du nanomètre, les caractéristiques des supraconducteurs, des matériaux perdant toute résistance électrique quand ils sont très refroidis. Fruit de neuf ans de travail « tout de même », ce microscope tunnel à balayage qui fonctionne sous ultravide a tout de l'usine : en son sein, les scientifiques peuvent, sans jamais les exposer à l'air, à la fois préparer des échantillons, les caractériser et les étudier à une température de – 272,85 °C (0,3 °C au-dessus du zéro absolu), et sous de forts champs magnétiques.
« Ce dispositif, unique en son genre en France et dont les analogues dans le monde se comptent sur les doigts de la main, explique Dimitri Roditchev, sert à fabriquer, à refroidir et à explorer des “îlots” de plomb tellement petits que la supraconductivité s'y trouve “confinée” à l'extrême, au point de se comporter autrement que dans le matériau massif. » De fait, ces « nano cristaux » supportent des champs magnétiques dix fois plus élevés que les supraconducteurs massifs et deviennent « supraconducteurs » à des températures encore plus basses. En utilisant son microscope capable de dresser des cartes nanométriques des propriétés électroniques d'un échantillon, l'équipe de Dimitri Roditchev a été la première à observer directement ce phénomène sur un îlot isolé.
 
poussières nanométriques

© INSP

Façonnées sous forme de poussières nanométriques, certaines substances fluorescentes voient leur émission décalée de l'infrarouge vers le visible.




La lumière photon par photon
De retour devant son poster, Jean-Marc Frigerio dévoile à quoi servent ses petites billes fluorescentes. Celles-ci ne sont rien d'autre que des « boîtes quantiques », des dispositifs d'optique destinés au cryptage de l'information et à l'analyse. Ils fonctionnent comme des émetteurs d'une lumière si ténue que les photons n'en sortent qu'un par un. Jean-Marc Frigerio et ses collègues cherchent à « confiner » et à contrôler la lumière de ces instruments afin d'augmenter leurs performances. Une tâche qu'ils espèrent réaliser à l'aide d'opale. Fait de billes de silice de taille nanométrique, ce minéral a une spécificité : il bloque le passage de la lumière sur certaines longueurs d'onde dans certaines directions. Une « iridescence » naturelle, mais due là aussi à la capacité de la matière à changer les propriétés des phénomènes dès lors qu'il sont confinés dans des environnements nanométriques. Mettre au service des grands desseins les détails les plus infimes, voilà bien une ambition digne de l'Institut des nanosciences de Paris.

Vahé Ter Minassian

Grands équipements pour nano-objets
Pour caractériser des phénomènes au niveau du millionième de millimètre, il est indispensable de disposer d'instruments ultraperfectionnés. Outre une salle blanche où les scientifiques fabriquent des échantillons, l'institut dispose de plusieurs microscopes à force atomique et de plusieurs microscopes à effet tunnel. Le laboratoire a également hérité lors de sa création de deux grands équipements installés sous le campus de Jussieu. Safir (INSP) et Simpa (INSP-Laboratoire Kastler Brossel), inaugurés respectivement en 1968 et 2003, sont des accélérateurs d'ions de haute énergie et d'ions multichargés.
Ils servent à réaliser des études d'analyse de couches minces, de traçage isotopique ou de dynamique d'interaction des ions avec la matière. Enfin, l'INSP possède, toujours sur le site de l'université, un dispositif d'épitaxie par jet moléculaire. Cet équipement permet aux physiciens de préparer puis d'élaborer des matériaux destinés à un domaine de l'électronique des plus futuristes : la spintronique1.
V.T.M.
1. Lire Le journal du CNRS, n° 215, décembre 2007.

microscope balayage

© H. Raguet/CNRS Photothèque

Grâce à un microscope tunnel à balayage fonctionnant sous ultravide, on étudie la supraconductivité de nanocristaux.


 

Notes :

1. Institut CNRS / Université Paris-VI.
2. Les microscopes à force atomique et à effet tunnel réalisent des images des échantillons en balayant leur surface à l'aide d'une pointe. Mais leur principe est différent : les premiers font appel aux interactions entre atomes pour effectuer leurs mesures, les seconds à un phénomène quantique appelé « effet tunnel ».
3. Lire Le journal du CNRS, n° 189, octobre 2005, « La déferlante nano ».
4. Laser capable de délivrer des impulsions lumineuses d'une très courte durée de l'ordre la femtoseconde : 10– 15 seconde.


Publié dans Cristaux et sciences

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