Prof. Siwick tweaking up the laser in his McGill University lab. CREDIT: Allen McInnis for McGill University Une expérience reposant sur la diffraction d'électrons ultrarapide ouvre une nouvelle fenêtre sur l'univers microscopique.
Des chercheurs de l'Université McGill ont réussi à observer simultanément la réorganisation de la position des atomes et la distribution des électrons au cours de la transformation d'un "
matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) intelligent", le dioxyde de vanadium (VO2) ? celui-ci passant d'un
semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...) à un métal –, au cours d'une période un trillion de fois plus courte qu'un clin d'œil.
Pour la première fois, grâce à ces travaux qui ont fait l'objet d'un article publié le 24 octobre 2014 dans la revue spécialisée Science, des chercheurs ont pu distinguer les changements qui se produisent dans le réseau atomique d'un matériau lors du repositionnement des électrons au cours d'un processus ultrarapide. Ces observations ont été rendues possibles grâce à la mise au point, par une équipe de McGill, d'instruments pouvant être utilisés notamment par des scientifiques de diverses disciplines pour observer les transformations de courte durée, mais essentielles, qui se produisent au cours des réactions chimiques, ou par des biologistes pour comprendre la fonction des protéines à l'échelle de l'atome. Cette
instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) ultrarapide combine de façon novatrice des outils et des techniques de la
microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) électronique et ceux de la spectroscopie laser.
"Nous avons conçu des instruments et des méthodes qui nous permettent véritablement d'observer la structure microscopique de la matière, à l'échelle de la femtoseconde (un millionième de milliardième de seconde), et qui sont essentiels pour l'étude des processus dans les domaines de la chimie, de la science des matériaux, de la physique de la matière condensée et de la biologie", affirme Bradley Siwick, titulaire de la Chaire de
recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) du Canada en science des vitesses ultrarapides à l'
Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) McGill.
"Nous pouvons observer les déplacements du noyau et distinguer ces phénomènes du comportement des électrons", explique Bradley Siwick, également professeur agrégé aux départements de chimie et de physique. "En outre, nous pouvons déterminer l'impact de ces changements structurels sur les propriétés du matériau, ce qui est le plus important sur le plan technologique."
En tirant parti de ces récentes avancées, le groupe de chercheurs a permis de jeter un nouvel éclairage sur un problème de longue date dans le domaine de la physique de la matière condensée. La transition du dioxyde de vanadium d'un semi-conducteur à un métal intrigue la communauté scientifique depuis la fin des années 1950. Ce matériau agit comme un semi-conducteur à basse
température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), mais se transforme en un métal hautement conducteur lorsque la température s'élève à 60 degrés Celsius environ – ce qui n'est pas beaucoup plus que la température ambiante. Cette propriété inhabituelle permet à ce matériau d'être utilisé dans un large éventail d'applications, allant des commutateurs optiques à grande vitesse aux revêtements intelligents thermosensibles pour fenêtres.
Cette expérience s'est déroulée dans le laboratoire du professeur Siwick, situé au sous-sol du Pavillon de chimie de l'Université McGill où, en compagnie d'une équipe d'étudiants aux cycles supérieurs, il a passé près de quatre ans à édifier soigneusement un réseau de lasers, d'amplificateurs et de lentilles sur un microscope électronique spécialement adapté et à monter le tout sur une table en acier sans vibrations.
L'équipe mcgilloise a réalisé ses travaux en collaboration avec le groupe de recherche de Mohamed Chaker, du Centre Énergie
Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) Télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance...) de l'Institut national de
recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) (INRS), un centre de recherche universitaire situé à l'extérieur de
Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande...). Les scientifiques de l'INRS ont fourni les échantillons de VO2 de haute qualité et extrêmement minces – environ 70 nanomètres, ou 1 000 fois plus petits que la largeur d'un cheveu humain – nécessaires pour mesurer la
diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) d'électrons ultrarapide.
Les modèles de diffraction fournissent des images à l'échelle atomique de la structure des matériaux à des instants précis de la transformation. Une fois ces clichés séquentiels rassemblés, on obtient un film semblable aux anciens folioscopes.
"Nos travaux ouvrent une toute nouvelle perspective sur l'univers microscopique qui, nous l'espérons, nous permettra de répondre aux questions demeurées sans réponse dans le domaine de la physique des matériaux et des particules, mais également de découvrir autant d'aspects encore méconnus. Lorsque vous regardez les choses avec un nouveau regard, vous pouvez voir les choses différemment", affirme le professeur Siwick.
Ces travaux ont été financés par la Fondation canadienne pour l'innovation, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le Programme des chaires de recherche du Canada, et le Fonds de recherche du Québec ? Nature et technologies.
Pour plus d'information voir:
- http://www.sciencemag.org/content/346/6208/445.full