Les chercheurs développent un processus pour mieux voir les objets à l'échelle nanométrique

17 juillet 2023

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par Karl Vogel, Université du Nebraska-Lincoln

Deux équipes multidisciplinaires composées de plusieurs des mêmes chercheurs développent des processus qui permettent aux scientifiques de mieux voir l'échelle nanométrique et d'exploiter les possibilités du domaine quantique.

Les deux projets ont chacun fait l'objet d'articles publiés dans des revues de recherche au cours de la même semaine de mai et incluent des professeurs et des étudiants diplômés de plusieurs départements universitaires de l'Université du Nebraska à Lincoln : génie mécanique et des matériaux, génie électrique et informatique, chimie, physique et astronomie.

Chaque équipe est soutenue par Emergent Quantum Materials and Technologies, ou EQUATE, une cohorte parrainée par l'État du Nebraska composée de 20 professeurs issus de plusieurs institutions pour une recherche qui « guide les découvertes et accélère les découvertes de nouveaux matériaux et phénomènes quantiques émergents ».

"L'approche multidisciplinaire fonctionne pour ces projets car elle nous permet à tous de nous concentrer sur un aspect essentiel à leur réussite", a déclaré Abdelghani Laraoui, professeur adjoint de génie mécanique et des matériaux et chercheur dans les deux équipes. "Ces projets font progresser les possibilités de la recherche quantique."

L'édition du 9 mai d'ACS Nano présentait un article dans lequel les auteurs détaillaient leur nouvelle technique utilisant la magnétométrie basée sur les lacunes d'azote pour étudier les propriétés magnétiques de nanorodes individuelles à croisement de spin fer-triazole et d'amas de nanoparticules.

Les études précédentes sur ces molécules magnétiques étaient principalement menées sur un format massif (solution ou poudre), ce qui rendait difficile l'étude de leur comportement magnétique individuel en raison de leur faible signal magnétique parasite.

Les chercheurs ont coulé des nanoparticules de fer triazole sur un substrat de diamant dopé avec des capteurs quantiques ultra-sensibles. Lorsqu'un faisceau de lumière verte traverse le substrat, les NV émettent une lumière rouge fluorescente à des vitesses variables en présence des nanobâtonnets et des nanoparticules. Ce changement de fluorescence illumine la zone et permet à une caméra à ultra haute résolution, en fonction du champ magnétique appliqué, de la fréquence micro-ondes et de la température, de retracer les spins fer-triazole au niveau des nanoparticules individuelles.

Laraoui a déclaré que les recherches de l'équipe montrent que cette technique améliore les capacités d'imagerie jusqu'à moins de 20 nanomètres, soit environ 5 000 fois plus petites qu'un cheveu humain, et peut-être même la sensibilité jusqu'à 10 nanomètres.

En utilisant un « interrupteur thermique » et un « aimant permanent », a expliqué Laraoui, l'équipe a pu contrôler les états de spin de nanorodes individuelles et réguler à la fois leurs niveaux de magnétisme et les champs magnétiques parasites qu'ils créent. Ces champs parasites sont très faibles et rendent plus difficile la mesure à l’aide de techniques traditionnelles, telles que la microscopie à force magnétique.

"Toute molécule comporte des composants, y compris des métaux de transition tels que le fer, qui sont magnétiques, et le spin de ces composants se comporte différemment en fonction de la température", a expliqué Laraoui. "À basse température, les spins n'ont aucun signal magnétique car ils s'annulent.

"Vous pouvez contrôler cela non seulement avec la température et un champ magnétique, mais aussi avec une tension appliquée de manière à commuter les spins des molécules magnétiques."

Laraoui a déclaré que la technique NV permettra l'étude de phénomènes magnétiques et physiques inexplorés à l'échelle nanométrique et conduira probablement à des percées dans la détection quantique, l'électronique de spin moléculaire et des domaines de la médecine tels que la virologie et la recherche en sciences du cerveau.