Un nouveau support d'échantillon donne aux scientifiques plus de contrôle sur des températures ultra-froides, permettant l'étude de la façon dont les matériaux acquièrent des propriétés utiles dans les ordinateurs quantiques.
Les scientifiques peuvent désormais refroidir de manière fiable les échantillons près de zéro absolu pendant plus de 10 heures tout en prenant des images résolues au niveau des atomes individuels avec un microscope électronique. La nouvelle capacité provient d'un détenteur d'échantillon refroidi par hélium liquide conçu par une équipe de scientifiques et d'ingénieurs de l'Université du Michigan et de l'Université Harvard.
Les instruments conventionnels peuvent généralement maintenir une température aussi extrême, d'environ -423 degrés Fahrenheit ou 20 degrés au-dessus du zéro absolu, pendant quelques minutes, se terminant à quelques heures. Mais des périodes plus longues sont nécessaires pour prendre des images de résolution atomique de matériel candidat pour les technologies avancées.
Il s'agit notamment des supraconducteurs qui conduisent l'électricité sans pertes de chaleur, des ordinateurs quantiques qui exécutent potentiellement des millions de fois plus rapidement que les ordinateurs conventionnels pour certains calculs, ainsi que les ordinateurs neuromorphes qui améliorent la vitesse et l'efficacité en imitant le cerveau humain. Ces matériaux candidats n'ont généralement pas leurs propriétés étranges et utiles à moins qu'elles ne soient dans un froid extrême.
« Lorsque les atomes font ce rhume, ils ne bougent pas beaucoup, et cela change radicalement le comportement du matériel », a déclaré Robert Hovden, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux à UM et auteur correspondant de l'étude publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.
« Beaucoup de choses vraiment cool se produisent. Les métaux peuvent devenir des isolateurs ou des supraconducteurs, et nous pouvons concevoir des qubits et de nouvelles souvenirs informatiques autour d'eux », a-t-il déclaré. « Si nous voulons comprendre comment ces propriétés émergent, nous devons observer les matériaux à ces températures basses pendant toute la durée d'une expérience. »
Alors que la microscopie ultracold à -321 F (77 Kelvin) a permis aux scientifiques de prendre des photos de matériaux et de protéines résolues au niveau des atomes individuels, des températures plus froides sont nécessaires pour image certaines propriétés quantiques et atteindre des résolutions plus élevées. L'hélium liquide pourrait rapprocher encore les températures du zéro absolu (0 K, -460 F), car l'hélium se condense autour de -452 F (4 K).
Mais les problèmes pratiques ont empêché les scientifiques d'utiliser l'hélium liquide au microscope pendant plus de quelques minutes. Dans la plupart des plates-formes de microscopie électronique à transmission modernes, l'échantillon est maintenu au microscope avec une tige attachée à un déwar, un récipient thermos.
Le Dewar refroidit à la fois la tige et l'échantillon lorsqu'ils sont remplis d'un liquide super froid, généralement de l'azote ou de l'hélium, qui bouillonne immédiatement à l'intérieur du Dewar, bousculant l'échantillon et réduisant la résolution de l'image. Ces problèmes sont pires avec l'hélium liquide car il bouillonne plus vigoureusement et s'évapore plus rapidement.
« C'est comme verser de l'eau sur de la lave chaude », a déclaré Hovden. « Non seulement vous obtenez toutes ces vibrations du liquide bouillant, mais la température oscille partout, donc la tige se contracte et vous ne pouvez pas maintenir la température exacte dont vous avez besoin. »
L'instrument des chercheurs peut maintenir les températures de l'échantillon aussi basses que -423 degrés Fahrenheit (20 Kelvin), pendant plus de 10 heures, avec seulement 0,004 degrés Fahrenheit (0,002 Kelvin) de blinde. Ce niveau de contrôle, qui est 10 fois meilleur que les instruments existants, permet aux scientifiques d'exposer un échantillon à un gradient de température finement contrôlé tout en regardant ses propriétés changer au microscope.
« Être en mesure de voir l'arrangement atomique comme les changements matériels pourrait être la clé pour comprendre et exploiter les processus atomiques et nanométriques qui donnent aux matériaux quantiques leurs propriétés incroyables », a déclaré Ismail El Baggari, physicien en matériaux au Rowland Institute de l'Université Harvard et auteur correspondant de l'étude.
Le refroidissement régulier de l'instrument provient d'un échangeur de chaleur attaché au support d'échantillon. L'hélium s'évapore lorsqu'elle est pompée à travers l'échangeur de chaleur, refroidissant l'échantillon avant de quitter un évent d'échappement.
Les détenteurs d'échantillons en boucle fermée existants sont déjà cool avec des échantillons avec l'hélium, mais ils vibrent trop pour les images résolues au niveau atomique.
Dans le nouveau système, des tuyaux flexibles élastiques et des isolateurs en caoutchouc à chaque extrémité de l'échangeur de chaleur limitent les vibrations causées par l'hélium évaporant, garantissant des images à haute résolution.
Un tel processus sensible nécessite des spécifications mécaniques strictes. Même les petits écarts par rapport aux plans créent des vibrations ou des fuites excessives.
« Découvrir comment fabriquer cette chose et la tester à l'intérieur du microscope étaient d'énormes obstacles à surmonter », a déclaré Emily Rennich, la première auteur de l'étude, qui a dirigé la construction de l'appareil lors de son baccalauréat en génie mécanique à UM.
« Je n'avais pas vraiment de compétences de fabrication ou de conception avant de commencer. Ce n'est que par beaucoup d'essais et d'erreurs, et de parler à d'autres machinistes, avons pu faire quelque chose qui a fonctionné. »
La technologie est déjà mise en œuvre au Michigan Center for Materials Caractérisation de UM, qui est exploité et maintenu avec le soutien des allocations de coûts indirectes dans les subventions fédérales. Le nouveau système permet aux chercheurs de partout au pays de mener des expériences qui étaient auparavant hors de portée.
« Je suis enthousiasmé par cette percée, quelque chose que je prévois depuis près d'une décennie », a déclaré Miaofang Chi, boursier d'entreprise au Oakridge National Laboratory et professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l'Université Duke, qui n'a pas été impliqué dans l'étude. « La réalisation de l'équipe aura un impact durable. »
