matière au niveau du nanomètre 3, « les scientifiques n’ont pas seulement gagné la possibilité de fabriquer des objets petits à l’extrême », explique Bernard Perrin, directeur de l’institut depuis janvier 2009, « ils ont également acquis de puissants moyens d’investigation », grâce auxquels ils peuvent maintenant réaliser des expériences qui leur étaient jusque-là inaccessibles. Et ainsi étudier, à l’échelle qui leur est la mieux adaptée, un ensemble de phénomènes afin de mettre en évidence certaines de leurs propriétés cachées. À L’ÉCOUTE DES MATÉRIAUX Première étape de la visite dans ce temple de la haute technologie au service de l’étude du monde lilliputien : Bernard Perrin nous explique l’énorme potentiel du « sonar nanométrique », une technique qui permet de mesurer, à quelques millionièmes de millimètres près, l’épaisseur des matériaux en y générant des ondes sonores à l’aide de lasers. En poussant dans ses derniers retranchements le principe de ce procédé, employé par l’industrie électronique, l’équipe de Bernard Perrin est l’une des rares au monde à avoir réussi à produire des sons à des fréquences aussi élevées que le térahertz (un million de millions de hertz). Ouvrant grand les portes d’un laboratoire, le même chercheur présente avec fierté d’énormes bancs d’optique sur lesquels s’entassent des dizaines de filtres, de miroirs et de séparateurs. Grâce à eux, les scientifiques qui s’affairent ici peuvent diriger la lumière d’un laser femtoseconde 4 sur un échantillon spécialement fabriqué par le Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN) du CNRS à Marcoussis. Ce « super réseau » constitué d’un empilement de couches de matériaux, épaisses chacune de quelques nanomètres, agit comme un filtre sur les ondes acoustiques et peut les confiner. Il est utilisé comme émetteur-récepteur de sons ultrapurs et de très hautes fréquences. Ces « superultrasons », en raison de leur grande longueur de pénétration dans les solides, pourraient par exemple servir un jour à imager des nano-objets enterrés dans des matériaux massifs. LE MICROSCOPE DU NANOFROID Un peu plus loin, dans une ancienne salle de chirurgie, trône l’impressionnante machine de Dimitri Roditchev. Haut de six mètres et pesant deux tonnes, cet incroyable assemblage de métal et de verre d’où sort une myriade de fils permet à ce directeur de recherche CNRS d’étudier, à l’échelle du nanomètre, les caractéristiques des supraconducteurs, des matériaux perdant toute résistance électrique quand ils sont très refroidis. Fruit de neuf ans de travail « tout de même », ce microscope tunnel à balayage qui fonctionne sous ultravide a tout de l’usine : en son sein, les scientifiques peuvent, sans jamais les exposer à l’air, à la fois préparer des échantillons, les caractériser et les étudier à une température de – 272,85 °C (0,3 °C au-dessus du zéro absolu), et sous de forts champs magnétiques. « Ce dispositif, unique en son genre en France et dont les analogues dans le monde se comptent sur les doigts de la main, explique Dimitri Roditchev, sert à fabriquer, à refroidir et à explorer des « îlots » de plombtellement petits que la supraconductivité s’y trouve « confinée » à l’extrême, au point de se comporter autrement que dans le matériau massif. » De fait, ces « nanocristaux » supportent des champs magnétiques dix fois plus élevés que les supraconducteurs massifs et deviennent « supraconducteurs » à des températures encore plus basses. En utilisant son microscope capable de dresser des cartes nanométriques des propriétés électroniques d’un échantillon, l’équipe de Dimitri Roditchev a été la première à observer directement ce phénomène sur un îlot isolé. LA LUMIÈRE PHOTON PAR PHOTON De retour devant son poster, Jean-Marc Frigerio dévoile à quoi servent ses petites billes fluorescentes. Celles-ci ne sont rien d’autre que des « boîtes quantiques », des dispositifs d’optique destinés au cryptage de l’information et à l’analyse. Ils fonctionnent comme des émetteurs d’une lumière si ténue que les photons n’en sortent qu’un par un. Jean-Marc Frigerio et ses collègues cherchent à « confiner » et à contrôler la lumière de ces instruments afin d’augmenter leurs performances. Une tâche qu’ils espèrent réaliser à l’aide d’opale. Fait de billes de silice de taille nanométrique, ce minéral a une spécificité : il bloque le passage de la lumière sur certaines longueurs d’onde dans certaines directions. Une « iridescence » naturelle, mais due là aussi à la capacité de la matière à changer les propriétés des phénomènes dès lors qu’il sont confinés dans des environnements nanométriques. Mettre au service des grands desseins les détails les plus infimes, voilà bien une ambition digne de l’Institut des nanosciences de Paris. Vahé Ter Minassian 1. Institut CNRS/Université Paris-VI. 2. Les microscopes à force atomique et à effet tunnel réalisent des images des échantillons en balayant leur surface à l’aide d’une pointe. Mais leur principe est différent : les premiers font appel aux interactions entre atomes pour effectuer leurs mesures, les seconds à un phénomène quantique appelé « effet tunnel ». 3. Lire Le journal du CNRS, n°189, octobre 2005, « La déferlante nano ». 4. Laser capable de délivrer des impulsions lumineuses d’une très courte durée de l’ordre la femtoseconde : 10 –15 seconde. VIEDESLABOS 7 À l’Institut des nanosciences, on s’intéresse aux propriétés optiques des cristaux photoniques comme l’opale. CONTACTS Institut des nanosciences de Paris ➔ Bernard Perrin bernard.perrin@insp.jussieu.fr ➔ Dimitri Roditchev dimitri.roditchev@insp.jussieu.fr. ➔ Jean-Marc Frigerio jean-marc.frigerio@insp.jussieu.fr Le journal du CNRS n°234-235 juillet-août 2009