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Posté par Isabelle le Mardi 07/10/2014 à 00:00
Une sonde de force optomécanique ultra-sensible

Illustration: CNRS
Des physiciens grenoblois viennent de réaliser une sonde de force un millier de fois plus sensible que les microscopes à force atomique. Ce nouveau dispositif, qui permet en outre de mesurer simultanément la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) dans les deux directions du plan, leur a permis de mettre en évidence un nouveau type d’instabilité optomécanique associée à la non-conservativité du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de force créé par un faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...).

Les microscopes à force atomique peuvent mesurer la force s’exerçant entre deux atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) proches l’un de l’autre, de l’ordre du femtonewton. Ces performances sont limitées par le principe de ce dispositif: mesurer la flexion d’une micropoutre à l’extrémité de laquelle est fixée une pointe qui s’approche du matériau étudié.

En s’affranchissant de la pointe et en utilisant un nanofil vibrant, des physiciens de l’Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) Néel (CNRS), en collaboration avec des chercheurs de l’Institut Lumière Matière - ILM (CNRS/Univ. Lyon 1) ont développé un nouveau dispositif permettant de mesurer des forces avec une sensibilité de l’ordre de l’attonewton (soit 10-18 newton). En suivant optiquement les vibrations de ce nanofil selon deux axes, ce dispositif permet de mesurer les forces selon deux directions et non une seule. Dans ce travail les physiciens ont observé le mouvement du fil dû à l’agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques homogènes....) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...), seule limite à la sensibilité, et cartographié le champ de force exercé par un faisceau laser sur le fil. Ce travail est publié dans la revue Nature Nanotechnology.

Les chercheurs ont utilisé comme senseur un nanofil cylindrique de carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une céramique composée de silicium et de carbone.) de 30 micromètres de long et cent nanomètres de diamètre. Ce fil, dont la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...) n’est qu’une fraction de picogramme, vibre naturellement à une fréquence de l’ordre d’une centaine de kilohertz. Pour observer sont mouvement les chercheurs l’ont éclairé avec un faisceau laser d’une centaine de microwatts très fortement focalisé et observé les fluctuations de la lumière transmise à l’aide d’une photodiode (Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.) à quadrants permettant de détecter les vibrations du nanofil autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit...) de sa position d’équilibre.

Les chercheurs ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d’abord mesuré les vibrations thermiques du nanorésonateur, c’est-à-dire son mouvement brownien. Cette agitation résiduelle représente une limitation intrinsèque de sensibilité dans une mesure de force, qui se situe ici au niveau de l’attonewton à température ambiante. En balayant le nanofil dans le spot laser, ils ont ensuite mesuré en chaque point (Graphie) de l’espace la force exercée par la lumière et réalisé ainsi une cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit représentant un espace...) vectorielle de l’interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) lumière-matière à une échelle plus petite que la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est...) d’onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...).

Cette mesure a permis d’étudier comment la présence du champ de force optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) présentant des variations spatiales très importantes pouvait modifier la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) du nanofil en couplant ses deux directions de vibration. Cette perturbation revêt un caractère fondamental, car elle représente l’action en retour de la mesure à laquelle tous les systèmes de mesure sont intrinsèquement soumis. En particulier, les physiciens ont étudié comment la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).) du champ de force optique dans lequel était immergé le nanofil affectait ses propriétés vibratoires et ont pu mettre en évidence une instabilité d’un nouveau type apparaissant dans les zones de forte vorticité du champ de force.


Image au microscope électronique à balayage d’un nanofil de carbure de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), suspendu à une pointe de tungstène. Le diamètre du nanofil est de 150 nm. Il est positionné dans un faisceau laser focalisé fortement grâce à un objectif de microscope, qui permet de mesurer ses vibrations en collectant l’intensité lumineuse transmise. La grande sensibilité en force du nanofil a permis de cartographier le champ de force optique exercé par le laser de mesure et d’observer une instabilité dynamique liée à la topologie non-conservative du champ de force. Cette dernière apparait dans les zones de fort cisaillement du champ de force, sur le côté de l’axe optique.
Illustration: CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / O. Arcizet/ A. Gloppe

Cette approche nano-optomécanique propose un nouvel outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se...) pour étudier les champs lumineux très confinés et plus généralement pour cartographier les champs de forces en apportant une information vectorielle, complémentaire aux mesures scalaires traditionnelles.

Pour plus d'information voir:
- http://www.cnrs.fr/inp/spip.php (PHP (sigle de PHP: Hypertext Preprocessor), est un langage de scripts libre principalement utilisé pour produire des pages Web dynamiques via un serveur HTTP, mais pouvant...)?article3127
- http://www.cnrs.fr/inp/IMG/pdf/14-10-sonde-force-optomecanique.pdf

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Source: CNRS