Un nouveau porte-échantillon permet aux scientifiques de mieux contrôler les températures ultra-froides et d’étudier comment les matériaux acquièrent des propriétés utiles pour les ordinateurs quantiques.
Les scientifiques peuvent désormais refroidir de manière fiable des échantillons à une température proche du zéro absolu pendant plus de 10 heures tout en prenant des images d’une résolution atomique à l’aide d’un microscope électronique.
Cette nouvelle capacité est le fruit d’un porte-échantillon refroidi à l’hélium liquide conçu par une équipe de scientifiques et d’ingénieurs de l’université du Michigan et de l’université Harvard, dont les travaux ont été financés par le ministère fédéral de l’Énergie et la Fondation nationale pour la science.
Les instruments conventionnels peuvent généralement maintenir une température aussi extrême, environ -423 degrés Fahrenheit ou 36 degrés au-dessus du zéro absolu, pendant quelques minutes, avec un maximum de quelques heures. Mais des périodes plus longues sont nécessaires pour prendre des images à résolution atomique des matériaux candidats pour les technologies de pointe.
Il s’agit notamment des supraconducteurs qui conduisent l’électricité sans perte de chaleur, des ordinateurs quantiques qui peuvent potentiellement fonctionner des millions de fois plus vite que les ordinateurs conventionnels pour certains calculs, ainsi que des ordinateurs neuromorphiques qui améliorent la vitesse et l’efficacité en imitant le cerveau humain. Ces matériaux candidats n’ont généralement pas leurs propriétés étranges et utiles à moins d’être soumis à un froid extrême.
« Lorsque les atomes atteignent cette température, ils ne bougent plus beaucoup, ce qui modifie radicalement le comportement du matériau », explique Robert Hovden, professeur associé en science et ingénierie des matériaux à l’université du Michigan et auteur correspondant de l’étude publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.
« Beaucoup de choses vraiment intéressantes se produisent. Les métaux peuvent devenir des isolants ou des supraconducteurs, et nous pouvons concevoir des qubits et de nouvelles mémoires informatiques autour d’eux », ajoute-t-il. « Si nous voulons comprendre comment ces propriétés apparaissent, nous devons observer les matériaux à ces basses températures pendant toute la durée d’une expérience. »
Si la microscopie ultra-froide à -321 °F (77 Kelvin) a permis aux scientifiques de prendre des photos de matériaux et de protéines avec une résolution au niveau des atomes individuels, des températures plus froides sont nécessaires pour obtenir des images de certaines propriétés quantiques et atteindre des résolutions plus élevées. L’hélium liquide pourrait permettre d’atteindre des températures encore plus proches du zéro absolu (0 K, -460 °F), car l’hélium se condense à environ -452 °F (4 K).
Mais des problèmes pratiques ont empêché les scientifiques d’utiliser l’hélium liquide avec un microscope pendant plus de quelques minutes. Dans la plupart des plateformes modernes de microscopie électronique à transmission, l’échantillon est maintenu sous un microscope à l’aide d’une tige fixée à un dewar, un récipient semblable à un thermos. Le dewar refroidit à la fois la tige et l’échantillon lorsqu’il est rempli d’un liquide ultra-froid, généralement de l’azote ou de l’hélium, qui bout immédiatement à l’intérieur du dewar, secouant l’échantillon et réduisant la résolution de l’image. Ces problèmes sont encore plus importants avec l’hélium liquide, car il bout plus vigoureusement et s’évapore plus rapidement.
« C’est comme verser de l’eau sur de la lave en fusion. Non seulement vous obtenez toutes ces vibrations dues à l’ébullition du liquide, mais la température oscille dans tous les sens, ce qui fait que la tige se contracte et que vous ne pouvez pas maintenir la température exacte dont vous avez besoin. » commente M. Hovden.
L’instrument des chercheurs peut maintenir la température des échantillons à -423 degrés Fahrenheit (20 Kelvin) pendant plus de 10 heures, avec une variation de seulement 0,004 degré Fahrenheit (0,002 Kelvin). Ce niveau de contrôle, qui est 10 fois supérieur à celui des instruments existants, permet aux scientifiques d’exposer un échantillon à un gradient de température finement contrôlé tout en observant ses propriétés changer au microscope.
« Être capable de voir la disposition atomique à mesure que le matériau change pourrait être la clé pour comprendre et exploiter les processus atomiques et nanométriques qui confèrent aux matériaux quantiques leurs propriétés étonnantes », a déclaré Ismail El Baggari, physicien des matériaux à l’Institut Rowland de l’Université Harvard et coauteur de l’étude.
Le refroidissement constant de l’instrument provient d’un échangeur de chaleur fixé au porte-échantillon. L’hélium s’évapore lorsqu’il est pompé à travers l’échangeur thermique, refroidissant l’échantillon avant qu’il ne sorte par un évent d’échappement. Les porte-échantillons à boucle fermée existants refroidissent déjà les échantillons à l’aide d’hélium, mais ils vibrent trop pour obtenir des images résolues au niveau atomique. Dans le nouveau système, des tuyaux souples et élastiques et des isolants en caoutchouc à chaque extrémité de l’échangeur thermique limitent les vibrations causées par l’évaporation de l’hélium, garantissant ainsi des images haute résolution.
Un processus aussi sensible nécessite des spécifications mécaniques strictes. Même de petits écarts par rapport aux plans entraînent des vibrations excessives ou des fuites.
« Déterminer comment fabriquer cet appareil et le tester à l’intérieur du microscope a été un obstacle de taille à surmonter », a précisé Emily Rennich, première auteure de l’étude, qui a dirigé la construction de l’appareil pendant son baccalauréat en génie mécanique à l’Université du Michigan.
« Je n’avais pas beaucoup de compétences en matière de fabrication ou de conception avant de commencer. Ce n’est qu’après de nombreux essais et erreurs, et en discutant avec d’autres machinistes, que nous avons réussi à créer un dispositif qui fonctionnait », observe Mme Rennich, qui est aujourd’hui doctorante en génie mécanique à l’université de Stanford.
Cette technologie est déjà mise en œuvre au Michigan Center for Materials Characterization, qui est exploité et entretenu grâce au soutien financier indirect de subventions fédérales. Le nouveau système permet à des chercheurs de tout le pays de mener des expériences qui étaient auparavant hors de portée.
« Je suis enthousiasmé par cette avancée, que j’attendais depuis près d’une décennie », a conclu Miaofang Chi, chercheur à l’Oakridge National Laboratory et professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l’université Duke, qui n’a pas participé à l’étude. « Les résultats obtenus par l’équipe auront un impact durable. »
