Il y a soixante-dix ans, dans le laboratoire d'Osmond sur le campus University Park de Penn State, Erwin W. Müller, professeur de recherche en physique d'Evan Pugh, est devenu la première personne à « voir » un atome. Ce faisant, Müller a cimenté son héritage, non seulement à Penn State, mais aussi en tant que pionnier dans le monde de la physique et au-delà.
Originaire d'Allemagne, Müller a rejoint la faculté de Penn State en 1951, lorsqu'elle s'appelait le Pennsylvania State College. Son laboratoire, The Field Emission Laboratory, était à l'origine dans le sous-sol d'Osmond et a ensuite déménagé au deuxième étage d'Osmond en 1954.
Pendant 20 ans, les recherches de Müller se sont concentrées sur le développement de la technologie pour augmenter la résolution des images collectées à partir de microscopes. Tout d'abord, il a inventé le microscope en émission de champ en 1936, qui a été utilisé pour étudier les surfaces des pointes d'aiguille et a presque atteint la résolution atomique. Il a suivi qu'en 1951 en développant le microscope Ion Field, l'outil avec lequel il « a vu » des atomes de tungstène en 1955.
En 1955, Kanwar Bahadur, étudiant diplômé de Müller à l'époque, qui a obtenu un doctorat de Penn State, a expérimenté l'utilisation de l'azote liquide pour refroidir la pointe du tungstène du microscope ionique du champ pour essayer d'augmenter la résolution pour enfin obtenir une résolution atomique. Bahadur et Müller espéraient que quelques ajustements fins leur permettraient de voir les atomes.
Bahadur a fait les ajustements. Müller a regardé l'image qui en résulte et s'est exclamé: « Atomes, Ja, atomes! »
Ce que Müller a vu n'était pas seulement une photographie d'atomes qui ressemblent aux illustrations dans les manuels de chimie, d'où les citations autour du mot «voir». Le microscope à ions de champ a fonctionné en prenant une pointe en métal pointu – fabriquée de tungstène pour ces premières images – et en la plaçant une chambre à vide à ultra-hauteur en verre. La chambre a ensuite été rembourrée avec de l'hélium gazeux et la pointe a été refroidie avec de l'azote liquide. Une fois refroidie, une tension positive a été appliquée à la pointe et les ions en tungstène ont été repoussés à partir de la pointe. La collecte de ces ions via un écran de phosphore a entraîné une image agrandie à une résolution atomique des atomes individuels.
« De nos jours, être en mesure de » voir « les atomes est connu comme une réalisation majeure dans le domaine de la microscopie », a déclaré Mauricio Terrones, George A. et Margaret M. Downsbrough, chef du Département de physique, professeur de l'Université Evan Pugh et professeur de chimie et de sciences et d'ingénierie des matériaux.
« Le travail de Müller a contribué à relancer une révolution en résolution. Depuis 1955, l'imagerie de résolution atomique a progressé non seulement pour être capable de visualiser les atomes individuels, mais aussi pour effectuer la microscopie électronique pour révéler la structure cristalline des matériaux à l'échelle atomique; la spectroscopie atomique pour déterminer comment les éléments atomiques et les compositions élémentaires des matériaux;
Lorsque les élèves des techniques d'imagerie atomique, tels que la tomographie des sondes atomiques (APT), apprennent l'histoire du domaine, ils commencent souvent par l'invention du microscope à ions ioniques par Müller et ses découvertes ultérieures.
« Une fois que je me suis impliqué dans le domaine de l'APT, le nom de Müller était quelque chose que je devais savoir », a expliqué Oscar Lopez, un précédent chercheur postdoctoral au Terron 'Lab. « Les gens sur le terrain ont un réel respect pour Müller et son héritage. »
Aujourd'hui, l'avancement de Müller de l'imagerie de résolution atomique peut être vu dans la recherche à Penn State et au-delà.
« Nos recherches en chimie s'efforcent de placer des atomes dans des endroits précis dans les matériaux nanostructurés et utilisent l'imagerie de résolution atomique et la microscopie électronique pour visualiser ces atomes et ces matériaux », a déclaré Raymond Schaak, professeur Dupont de chimie des matériaux et chef de département associé pour la recherche, expliquant que sa recherche vise à améliorer les réactions catalytiques en énergie propre, ainsi que le carburant et les cellules solaires.
Le travail de Müller aide à inspirer des technologies qui n'étaient même pas imaginées à son époque, comme les smartphones et les nouvelles générations d'ordinateurs et de téléviseurs, selon Danielle Reifsnyder Hickey, professeur adjoint de chimie et de science des matériaux, qui travaille maintenant pour découvrir et caractériser de nouveaux matériaux qui permettent à ces électrons de travailler plus rapidement.
« En utilisant la microscopie électronique à transmission corrigée d'aberration, qui permet l'imagerie à la résolution atomique, mon laboratoire contribue à créer de nouvelles technologies puissantes qui peuvent être utilisées tous les jours », a-t-elle déclaré.
Schaak et Hickey effectuent tous deux leurs recherches au Penn State Materials Research Institute, qui héberge le laboratoire de caractérisation des matériaux. Des étudiants de premier cycle aux professeurs qui étudient la chimie, la physique et plus encore, les chercheurs utilisant l'installation continuent de repousser les limites et les applications de l'imagerie de résolution atomique et nanométrique, ont déclaré Terrones.
Il a fallu quatre ans à partir de son invention du microscope Ion Field en 1951 pour que Müller augmente la résolution de l'image de l'outil à un tel degré que les atomes individuels pouvaient être vus. Cette réalisation en 1955 est survenue 147 ans après que John Dalton a proposé pour la première fois que toute la matière était composée de minuscules particules indivisibles appelées atomes. Pendant environ 25 ans après l'invention du microscope à ions champs, c'était le seul microscope capable d'atteindre la résolution atomique.
« Voir » un atome n'a pas ralenti le travail de Müller, cependant.
Dans les années 1960, John A. Panitz a rejoint le laboratoire de Müller en tant que doctorant étudiant les technologies des sondes Atom. Ensemble, Panitz et Müller ont inventé le microscope à ion sur le terrain de sonde atome en 1967. Müller et Panitz ont également travaillé avec S. Brooks McLane et Gerry Leroy Fowler, le technicien en électronique du laboratoire et le technicien principal. Le groupe a avancé l'invention d'origine de Müller afin que le nouveau microscope à ions de champ de sonde d'atome puisse non seulement voir les atomes individuels, mais aussi déterminer leur nature chimique.
Plus tard, Panitz, qui est diplômé de Penn State et est maintenant professeur émérite de physique à l'Université du Nouveau-Mexique, continuerait à inventer la sonde atome de 10 centimètres et la sonde d'atomes d'imagerie, qui est considérée par beaucoup comme le précurseur des sondes d'atomes commerciales modernes.
Ces sondes d'atomes commercialisées – y compris la sonde d'atomes d'électrode locale, dont la première peuvent être observées dans le hall d'Osmond Lab – répriancé à la fin des années 1990 et au début des années 2000, lorsque ces instruments ont permis les matériaux d'étude essentiels pour les semi-conducteurs et autres technologies.
Le succès de Müller lui a apporté de nombreuses distinctions, notamment les élections à la National Academy of Engineering et à la National Academy of Sciences. Si Müller n'était pas mort de façon inattendue en 1977, beaucoup pensaient qu'il aurait remporté le prix Nobel de physique. La même année, le président Jimmy Carter a décerné à Müller la médaille nationale des sciences à titre posthume.
« Se souvenir de l'héritage du travail de Müller est important ici à Penn State », a déclaré Terrones, dont le laboratoire occupe ce qui était une fois le laboratoire d'émission de terrain de Müller. « Ses découvertes et d'autres en physique se propagent et aident au développement de la technologie aujourd'hui en biologie, science des matériaux et médecine. »
