Des effets de la mécanique quantique permettent de dépasser une limite fondamentale de la microscopie optique

Quand la lumière touche un mur invisible

Depuis que l’homme a inventé l’optique, de la caméra de votre smartphone aux télescopes spatiaux les plus puissants, nous avons toujours cherché à voir plus loin et plus précis. Mais il y a un problème de taille : la lumière elle-même a ses limites. C’est ce qu’on appelle la diffraction. En gros, comme la lumière se comporte comme une onde, il est physiquement impossible de la concentrer parfaitement au-delà d’un certain point. C’est un mur infranchissable pour les microscopes classiques, qui ne peuvent pas distinguer les détails beaucoup plus petits que la longueur d’onde de la lumière.

Résultat ? Les briques fondamentales de notre univers, les atomes, restaient invisibles à l’observation optique directe. Mais ça, c’était avant. Une équipe de chercheurs du Centre de nanoscopie ultrarapide de Ratisbonne (Regensburg), en collaboration avec l’Université de Birmingham, vient de réussir l’impossible. Dans une étude publiée par la revue Nano Letters, ils démontrent qu’on peut désormais observer la matière à l’échelle atomique avec de la lumière.

Le coup de théâtre quantique

Pour contourner ce fameux mur de la diffraction, les scientifiques ont utilisé une ruse. Ils ont placé une pointe métallique extrêmement fine à une distance infime de la surface du matériau à étudier — un écart plus petit qu’un seul atome. En éclairant ce système avec un laser infrarouge continu, ils ont réussi à « presser » la lumière dans cet interstice minuscule.

Jusque-là, cette méthode permettait déjà d’atteindre une résolution d’environ 10 nanomètres. C’est bien, mais c’est encore trente fois trop gros pour voir des atomes. L’équipe a donc décidé de pousser l’expérience à son extrême limite en rapprochant encore la pointe. Et là, surprise totale. « À de très petites distances, le signal a grimpé en flèche de manière spectaculaire », raconte Felix Schiegl, de l’Université de Ratisbonne. « Nous n’avons pas tout de suite compris ce qui se passait. La vraie surprise est arrivée quand nous avons réalisé que nous distinguions des détails de 0,1 nanomètre. »

L’explication ? Elle se trouve dans la mécanique quantique. Même si la pointe et la surface ne se touchent pas physiquement, les électrons, eux, parviennent à traverser le vide par effet tunnel. Le champ électrique oscillant de la lumière force ces électrons à faire des allers-retours frénétiques, un peu comme dans une antenne radio. Ce mouvement crée un signal électromagnétique très faible, mais détectable : c’est l’émission optique tunnel en champ proche.

Une révolution accessible à tous les laboratoires

Ce qui est fascinant, c’est la sensibilité du dispositif. Le Dr Tom Siday, de l’Université de Birmingham, s’étonne encore : « C’est remarquable : un seul électron se déplaçant sur une distance inférieure à la taille d’un atome tous les cent cycles lumineux suffit à produire une lumière détectable. » Grâce à cette lumière émise, on peut désormais mesurer le mouvement des électrons et la conductivité des matériaux avec une précision atomique.

Pour Valentin Bergbauer, de l’Université de Ratisbonne, c’est un changement de paradigme. « L’étape décisive, c’est que nous ne sommes plus limités par la capacité à confiner la lumière. À la place, nous contrôlons directement le mouvement quantique des électrons confinés aux dimensions atomiques. » Il parle d’un véritable « saut quantique » qui permet d’atteindre des échelles près de 100 000 fois plus petites que ce que les microscopes optiques classiques peuvent résoudre.

La meilleure nouvelle ? Pas besoin de lasers ultrarapides hors de prix. Un laser à onde continue standard suffit. Cette simplicité technique signifie que cette méthode pourrait être adoptée rapidement par les laboratoires du monde entier (DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c05319).

Ce que cela change pour l’avenir

Cette découverte ouvre une porte immense. En prouvant que des mesures optiques peuvent atteindre des distances qu’on pensait inaccessibles, ces chercheurs nous offrent un nouvel outil pour comprendre la matière. Demain, cette approche permettra d’étudier comment les matériaux interagissent avec la lumière à l’échelle de l’atome individuel. C’est en comprenant ces processus microscopiques infimes que nous pourrons mieux saisir ce qui détermine, au final, les propriétés des matériaux que nous utilisons tous les jours.

Selon la source : phys.org

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