Des chercheurs de l’Université de Tokyo ont réussi une expérience de fentes de Young à l’échelle atomique en utilisant un microscope électronique à balayage en transmission. Cette technique permet d’observer directement les vibrations des atomes voisins et d’analyser la conduction thermique dans les matériaux semi-conducteurs.

La miniaturisation croissante des semi-conducteurs utilisés dans les smartphones et les ordinateurs pose un défi majeur de gestion thermique. Comprendre comment la chaleur se propage au sein d’un matériau nécessite d’examiner les mouvements des atomes à l’échelle nanométrique, une tâche historiquement difficile en raison de la complexité des interactions atomiques. Une équipe de physiciens de l’Université de Tokyo a franchi un pas décisif en transposant l’une des expériences les plus célèbres de la physique quantique directement au cœur de la matière.

L’expérience des fentes de Young reproduite à l’échelle atomique par l’équipe de Naoya Shibata

L’expérience historique menée par le physicien britannique Thomas Young au début du XIXe siècle a démontré la nature ondulatoire de la lumière en la faisant passer à travers deux fentes étroites pour créer une figure d’interférence. Aujourd’hui, les chercheurs de l’Institute of Engineering Innovation de l’Université de Tokyo — menés par Naoya Shibata, Koudai Tabata, Taketo Seki et Ryo Ishikawa — ont adapté ce principe fondamental à l’échelle atomique, selon les détails de l’annonce officielle de la JST.

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Le groupe a utilisé un faisceau d’électrons finement focalisé par un microscope électronique à balayage en transmission, abrégé en STEM. En ciblant l’espace situé entre deux colonnes d’atomes de silicium adjacentes espacées de seulement 136 picomètres, les chercheurs ont observé que la paire d’atomes se comporte comme une double fente naturelle. Cette configuration réduit l’expérience originale de Young d’environ sept ordres de grandeur, soit un dix-millionième de son échelle macroscopique initiale. Cette recherche a été menée en collaboration avec Toma Susi de l’Université de Vienne.

Lecture des vibrations atomiques et des phonons grâce au microscope électronique

En analysant minutieusement le motif de franges formé par les électrons après leur passage, l’équipe a démontré qu’il est possible de lire la façon dont les atomes voisins vibrent de concert. Cette méthode novatrice permet d’évaluer la rigidité des liaisons chimiques et la propagation de la chaleur, fournissant ainsi des informations directes sur les phonons, ces vibrations de réseau qui régissent la conductivité thermique et la chaleur spécifique des matériaux solides, d’après l’agence de recherche japonaise.

En mesurant l’énergie perdue par les électrons et leur déviation dans deux directions perpendiculaires, cette technique permet d’observer l’orientation des orbitales électroniques dans des oxydes de manganèse soumis à des contraintes mécaniques.

Perspectives pour la conception des futurs dispositifs semi-conducteurs

Ces avancées conjuguées ouvrent des perspectives concrètes pour l’industrie électronique. En ciblant des liaisons atomiques individuelles, les ingénieurs disposent d’un nouvel outil pour identifier les zones de concentration thermique au sein des composants. À terme, ces méthodes de mesure microscopique devraient faciliter la conception thermique des puces électroniques et accélérer le développement de matériaux capables d’optimiser l’utilisation et la dissipation de la chaleur.

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