Des électrons pour sonder les modes vibrationnels d'une molécule
Publié par Redbran le 21/07/2017 à 00:00
Source: CNRS-INP
Des physiciens ont réussi à cartographier l'empreinte des modes vibrationnelles à l'échelle atomique d'une molécule unique grâce à l'utilisation d'une pointe STM. Ces travaux de recherche constituent un pas décisif vers une spectroscopie des modes vibrationels à l'échelle subnanométrique.

Depuis l'avènement des lasers, les chercheurs sondent la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) en recherchant toujours plus de sensibilité et de résolution. De nombreuses techniques de spectroscopie basées sur la détection de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière...) induite par excitation lumineuse se sont développées au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité...) et à mesure de l'avancée des technologies. Il est aujourd'hui facile d'obtenir l'empreinte des modes vibrationnels grâce à des spectroscopies type Raman et ses dérivés. Cependant, ces spectroscopies sont limitées par la résolution spatiale. Plus récemment ce sont développés les techniques de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil nu, soit...) à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la...) permettant de venir sonder la matière à l'aide d'électrons émis d'une fine pointe métallique. Des physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ. Strasbourg) ont réussi à combiner la résolution spatiale subatomique du STM avec une mesure spectrométrique des modes vibrationnels d'une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) unique. Ils ont pu distinguer des variations du spectre de raies en fonction de la sous-partie de la molécule sondée. En d'autres termes, l'empreinte spectrale change en fonction du groupement d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) considéré. Ces travaux ont été publiés dans Physical Review Letters.

Pour cela, ils ont utilisé un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981 par des chercheurs d'IBM, Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, qui reçurent le Prix Nobel de physique pour cette invention en 1986....), un instrument qui se compose d'une pointe effilée qui sert de sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois...) et qui balaye ligne après ligne une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure,...) afin d'en déterminer sa topographie à l'échelle atomique. L'excitation de la molécule est induite par l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui...) de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) des électrons et la molécule se désexcite en émettant de la fluorescence mesurée par un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en...) de haute sensibilité. Compte-tenu de la faiblesse des signaux, les chercheurs travaillent sous ultra-vide et à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) de l'Hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus bas parmi...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Les variations du spectre optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) en fonction du positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible, différente et attractive au sein d’un marché et dans...) fin de la pointe par rapport à la molécule sont enregistrées permettant de tracer une carte des spectres en fonction du point (Graphie) d'excitation sur la molécule. L'intensité des raies présente des variations selon la zone de la molécule sondée, et selon l'origine de la raie considérée. En effet, chaque raie correspond à un mode de vibration de la molécule bien déterminé. L'étude montre que les raies associées à des modes de même symétrie présentent des dépendances spatiales identiques. L'étape ultime de ce travail consiste en la réalisation de cartes montrant la variation spatiale de l'intensité d'émission de différentes raies (cf. figure).


a) Le courant tunnel (points blanc) agit comme une source d'excitation ponctuelle d'un spectre de fluorescence de raie d'une molécule. (b) Cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de...) optique de modes de haute et basse symétrie d'un groupement de trois molécules.
En savoir plus

L'interprétation fine des structures observées au sein de ces cartes nécessitera la mise en place de nouveaux modèles théoriques. Cette expérience ouvre la voie à une nouvelle forme de nano-spectroscopie optique permettant de voir directement au cœur des molécules, un concept nouveau qui bouscule notre compréhension de ce qu'est le spectre de fluorescence d'une molécule.

Pour plus d'information voir:
Vibronic spectroscopy with sub-molecular resolution from STM-induced electroluminescence
B. Doppagne, M. C. Chong, E. Lorchat, S. Berciaud, M. Romeo, H. Bulou, AL. Boeglin, F. Scheurer et G. Schull
Physical Review Letters (2017), doi:10.1103/PhysRevLett.118.127401

Contact chercheur:
Guillaume Schull, chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

Informations complémentaires:
Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg(IPCMS, CNRS/Univ. Strasbourg)
Page générée en 0.538 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique