Une micro-ampoule qui dépose des atomes de fer sur une surface parfaite express
Dans le microscope qui voit les atomes individuels, règnent le froid et le silence : la température est d'environ -268°C et l'intérieur est sous vide parfait. Pour déposer des atomes de fer individuels sur une telle scène, il faut généralement un « couloir » direct entre l'évaporateur et l'échantillon. Mais dans les instruments les plus froids, ce couloir est bloqué par des écrans thermiques, et le dépôt devient un casse-tête.
Les ingénieurs ont trouvé une solution ingénieuse : ils ont pris une lampe à incandescence miniature — de celles qui éclairent les lampes de poche ou les voyants des appareils — ont recouvert son filament de tungstène d'une couche très fine de fer et l'ont intégrée directement dans la tête du microscope. En chauffant le filament avec un faible courant, ils évaporent le fer atome par atome. Il se dépose sur la surface froide d'oxyde de magnésium posée sur de l'argent, comme du givre sur une vitre. Le tout a la taille d'un petit pois, et l'échantillon est à environ un centimètre.
Après le dépôt, le microscope continue de scanner la même zone de la surface : le décalage de la pointe est inférieur à 5 nanomètres, soit la largeur de quelques atomes. Cela permet de photographier d'abord une zone propre, puis d'y déposer quelques atomes de fer et de la réexaminer — comme si, sur un échiquier vide, on plaçait soigneusement les pièces et que l'on prenait une photo avant et après.
Pour s'assurer que la surface contient bien du fer, les scientifiques ont mesuré comment les électrons traversent un atome individuel par effet tunnel. Sur le graphique, des marches symétriques sont apparues à une tension d'environ plus ou moins 14 millivolts — une « signature » caractéristique de l'atome de fer sur l'oxyde de magnésium. Le flux d'atomes est alors très faible : environ 15 atomes par nanomètre carré par seconde. Cet évaporateur peut fonctionner pendant environ 150 heures, et sa position fixe évite d'avoir recours à de volumineux écrans mobiles et à l'ouverture du microscope après refroidissement.
Désormais, on peut ajouter de manière répétée et très dosée des atomes magnétiques sur une surface isolante, sans perturber le monde froid et fragile à l'intérieur du microscope. Cela ouvre la voie à l'assemblage de minuscules structures magnétiques — un atome à la fois.
La température du microscope lors de l'évaporation des atomes de fer ne monte que de 2 kelvins — moins que ce que chauffe une tasse de thé posée sur une table en une seconde.