Microscopes : la troisième génération

Le microscope : l'instrument qui nous ouvre le monde du petit et de l'infiniment petit ; l'outil indispensable des biologistes, des chimistes et des physiciens. Le premier microscope, dit " optique ", offrait des possibilités qui ont vite été démultipliées avec l'invention du microscope électronique. Désormais, ce ne sont plus des ondes lumineuses mais des électrons, c'est-à-dire des particules chargées électriquement, qui explorent la matière. Pourtant, le microscope électronique a, lui aussi, ses limites.

Pr. Toennies, Institut Max Planck d'étude des flux : Les électrons du microscope électronique possèdent une énergie très élevée, de plusieurs centaines de milliers d'électron-volts, pour parler en terme scientifique. Du fait de cette grande énergie, ils pénètrent profondément dans la matière, jusqu'à la détruire. C'est le plus grand inconvénient du microscope électronique.

C'est pourquoi le professeur Toennies tente de mettre au point un microscope qui explorerait les échantillons à l'aide non d'un faisceau d'électrons, mais d'un faisceau d'atomes. En collaboration avec le professeur Schmahl, de l'université de Göttingen, en Allemagne, il travaille au développement du microscope de troisième génération. L'élément de base choisi pour ce microscope est l'atome d'hélium.

Pr. Toennies : Les atomes présentent l'avantage d'avoir une énergie très faible dans notre microscope. Elle est en effet comparable à celle des molécules présentes dans la pièce. De ce fait, ils sont immédiatement réfléchis par la surface. Ils ne pénètrent pas la matière, ce qui nous permet d'explorer sa surface.

Le microscope atomique se compose de trois éléments contenus dans des chambres à vide distinctes : une source d'hélium libéré par une tuyère, une lentille spéciale qui focalise les atomes et un détecteur capable d'analyser le faisceau d'atomes réfléchi par l'échantillon et d'en donner une image. La focalisation des atomes d'hélium constitue l'opération la plus délicate. Il s'agit en effet de dévier, ou de " diffracter ", un faisceau rectiligne. Or, a priori, la diffraction est un phénomène propre aux ondes lumineuses et sonores.

Pr. Günter Schmahl, Université de Göttingen : Dans le microscope optique, la lumière est focalisée par des lentilles réfractrices, des lentilles de verre, qui fonctionnent comme les verres des lunettes. Pour les atomes d'hélium, ce type de lentilles ne fonctionne pas, car les atomes restent piégés dans le verre. On a donc besoin de systèmes permettant aux atomes d'hélium de passer à travers la lentille.

Schmahl a mis au point un système adéquat qui repose sur l'utilisation d'une plaque dite " à zones de Fresnel ". Ses sillons constituent un tamis très fin à travers lequel les atomes peuvent se faufiler. Epaisse d'à peine 0,3 millimètre, la plaque qui est fabriquée ici, dans la chambre à vide de l'université, en suivant un procédé de corrosion particulier, est destinée au prototype du microscope.

Pr. Günter Schmahl : La plaque à zones de Fresnel fonctionne comme un réseau de diffraction. Si j'envoie une onde lumineuse ou une particule, dans le cas présent, à travers une fine structure périodique, les atomes sont diffractés, comme la lumière. La diffraction est d'autant plus importante que les structures sont fines. La plaque à zones de Fresnel est une grille rotative présentant de larges structures en son milieu et des structures très fines sur les bords, de sorte que la diffraction est moins importante au milieu que sur les bords.

Or ce principe peut être appliqué aux atomes d'hélium seulement depuis que l'on a découvert qu'ils présentent des caractères ondulatoires.

Pr. Günter Schmahl : Au début du XXe siècle, une évolution très intéressante est apparue en physique. Einstein a démontré par ses expériences, entre autres, que les ondes lumineuses, la lumière, possède une nature corpusculaire - il a d'ailleurs reçu le prix Nobel pour sa découverte de l'effet photoélectrique - et De Broglie, un jeune physicien, a conclu à la réciproque dans sa thèse, au début des années vingt ! Il a posé l'hypothèse selon laquelle, si la lumière est de nature corpusculaire, les particules pourraient être, elles, de nature ondulatoire !

Cette découverte est à la base même du projet de construction d'un microscope atomique. D'ores et déjà, les chercheurs ont démontré que leur appareil fonctionne, même si l'image obtenue ne peut encore être interprétée.

Pr. Toennies : Nous n'obtiendrons pas d'image avant six ou neuf mois. Et même à ce stade, les images ne seront pas encore très bonnes, il y aura encore beaucoup d'améliorations à apporter à l'appareillage. Mais, au début, il s'agit toujours de montrer que cela peut fonctionner !

Et cela, les deux scientifiques allemands l'ont d'ores et déjà prouvé en parvenant à focaliser des atomes. C'est peut-être la première étape vers une nouvelle ère de la microscopie : celle de la microscopie atomique qui fournira des images jusqu'alors impossibles.