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Explorer les matériaux quantiques

Explorer les matériaux quantiques

Une équipe du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques de l’Université Paris Diderot (Paris 7), présente au Palais de la découverte, sur le stand « Un chercheur, une manip », des matériaux et des phénomènes décrits par la physique quantique.

Au début du XXème siècle, une physique révolutionnaire émerge, indispensable pour décrire la matière à petite échelle : la physique quantique. En 1925, des physiciens découvrent que les électrons, imaginés jusque-là comme de grains, se comportent parfois comme des ondes.

Cette nouvelle physique permettra l’exploration de la matière et le développement de nouveaux objets, comme les transistors, essentiels au développement ultérieur de l’électronique. Dans les années 1980, deux physiciens allemands inventent le « microscope à effet tunnel » puis le « microscope à force atomique ». Ceux-ci permettent d’explorer la surface des métaux et de connaître précisément la position des atomes grâce à un faisceau d’électrons.

Microscope électronique à balayage© La Physique Autrement 2017
Microscope électronique à transmission© La Physique Autrement 2017

Selon la physique classique, une particule ne peut pas franchir une barrière d’énergie supérieure à la sienne. Cependant, la physique quantique prévoit la possibilité de détecter une particule au-delà cette barrière, même si son énergie n’est pas suffisante pour la traverser : c’est l’effet tunnel.

Dans un microscope à effet tunnel, les électrons s'échappent de la surface et se dirigent vers la pointe sous l’effet d’une tension électrique forment le « courant tunnel ». Ainsi, les mouvements de la pointe permettent de reconstituer la surface de l’échantillon à l’échelle de l’atome (10 – 10 m).

Le microscope à force atomique (AFM)

 

Une petite pointe, taillée pour avoir un seul atome à son extrémité, est approchée à quelques nanomètres d’un échantillon. Les forces, attractives ou répulsives, entre la pointe et la surface sont suivies par un faisceau laser qui suit la déformation d’un ressort de taille micrométrique.

Remarque : Cette force est  comparable à celle qui existe entre les molécules d’eau (forces de Van der Walls).

Ce microscope permet de mesurer des forces qui nous renseignent sur l’élasticité, l’aimantation, la répartition des charges électriques, … au sein du matériau.

 

 

La salle Blanche du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques

 

La salle blanche est une plateforme technologique indispensable, qui permet de rapidement passer de la conception à la réalisation de nouveaux matériaux et dispositifs quantiques. Les conditions de propreté, de température et d’humidité y sont parfaitement contrôlées.

Niveaux d’énergie discrets d’un puits quantique
Arséniure de gallium entre deux couches d’arséniure de gallium-aluminium

Matériaux et dispositifs

Le puits quantique est un dispositif quantique formé d’une couche de semi-conducteur prise en sandwich entre deux couches de matériau plus isolant. Les électrons piégés dans la couche semi-conductrice ont une énergie quantifiée (elle ne peut prendre que certaines valeurs).

Le laser à cascade quantique : Par effet tunnel, un électron passe d’un puits quantique à un autre. Quand les électrons ont trop d’énergie dans un nouveau puits, ils la libèrent sous forme de lumière cohérente (rayonnement laser).

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