Des chercheurs du Centre de recherche de Jülich (FZJ) sont parvenus à mesurer, avec une précision de l'ordre du picomètre, des distances entre atomes. Cela permet d'envisager la détermination de propriétés physiques de matériaux directement à l'échelle atomique. Les scientifiques se sont servis notamment de lentilles correctrices et de calculs de mécanique quantique pour parvenir à cette précision en microscopie électronique.
Un picomètre représente environ un centième du diamètre d'un atome, soit un milliardième de millimètre. Les chercheurs ont étudié par exemple l'arrangement des atomes dans des joints de grains orthogonaux du matériau supraconducteur YBa2Cu3O7, c'est-à-dire des interfaces qui démarquent la limite entre deux domaines du matériau cristallin, dont les structures atomiques sont orthogonales. A partir d'images obtenues au microscope sous différentes conditions, les physiciens ont calculé les fonctions d'onde des électrons en mécanique quantique à l'aide d'un ordinateur et ainsi obtenu la position précise des atomes.
Dans ces cristaux, les gros atomes (le baryum, le cuivre et l'yttrium), s'ordonnent systématiquement à quelques picomètres de leur position idéale et les atomes d'oxygène, plus petits, suivent le déplacement. Ceci est une explication de la diminution de la supraconductivité observée lorsqu'un courant électrique traverse un tel joint de grain.
Ce phénomène est indésirable si l'on cherche à utiliser le supraconducteur pour le transport du courant sans pertes. Au contraire, il peut être utile dans les détecteurs d'interférences quantiques supraconducteurs qui se servent de la dépendance de ce défaut au champ magnétique pour mesurer des champs magnétiques plus petits, comme cela se fait pour mesurer l'activité cérébrale.
Ces distances de quelques picomètres déterminent de nombreuses propriétés physiques d'un matériau, comme par exemple la ferroélectricité des titanates. Celle-ci vient du fait qu'au sein même des cristaux, les charges électriques des atomes ne se compensent pas tout à fait, car l'arrangement de ces derniers ne présente pas la symétrie nécessaire. C'est pourquoi des dipôles électriques s'y forment et viennent s'ajouter à la polarisation à plus grande échelle du matériau, employée pour l'écriture de bits informatiques, comme c'est le cas pour le PbZrO.2TiO.8O3, utilisé dans les cartes à puces.
A l'aide de nouveaux procédés en optique électronique, les distances entre deux atomes peuvent être mesurées et permettent de déterminer la polarisation locale, caractérisant ensuite les bits d'information. Pour le Prof. Knut Urban, directeur du Centre Ernst Ruska de microscopie et de spectroscopie électronique au FZJ, il s'agit "du début d'une physique des matériaux permettant de déterminer des grandeurs et propriétés physiques à l'échelle nanométrique par la mesure des distances atomiques. De plus, ceci représente un point de départ dans la manipulation de ces propriétés et l'obtention de nouvelles fonctionnalités des matériaux".
- Prof. Dr. Knut Urban - Institut de recherche sur les solides, Centre de recherche de Jülich (FZJ), D52425 Jülich - tél : +49 246 161 3153, fax : +49 246 161 6444 - email : k.urban@fz-juelich.de - http://www.fz-juelich.de/iff/ - Centre Ernst Ruska de microscopie et de spectroscopie à électrons - http://www.er-c.org
