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microscopie à effet tunnel à balayage Quel pic correspond à quelle excitation ?

Source : communiqué de presse Université Christian-Albrechts de Kiel | Traduit par l'IA 3 min Temps de lecture

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Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Une excitation peut déclencher les processus les plus divers au sein de la molécule. À l'aide de la microscopie à effet tunnel, des chercheurs de l'université Christian-Albrechts de Kiel ont désormais montré comment attribuer des états quantiques à partir de mesures : s'agit-il d'oscillations, de modifications de spin ou d'un changement d'orbitale qui génèrent le signal ?

Le Dr Alexander Weismann (à gauche) et le Dr Arnab Banerjee étudient l'excitation des molécules à l'aide d'un microscope à effet tunnel.(Image : Sophie Humbert, Université de Kiel)
Le Dr Alexander Weismann (à gauche) et le Dr Arnab Banerjee étudient l'excitation des molécules à l'aide d'un microscope à effet tunnel.
(Image : Sophie Humbert, Université de Kiel)

Les molécules peuvent être placées dans des états quantiques très variés. Comment distinguer ces états lors des mesures lorsque les modèles théoriques ne sont pas fiables ? Et quel processus d'excitation se cache derrière tel ou tel signal de mesure ?

C'est précisément à ces questions qu'a été confronté le Dr Arnab Banerjee lorsqu'il a étudié des molécules individuelles de cobaltocène à l'aide de la spectroscopie à effet tunnel. Les spectres mesurés révélaient une multitude déroutante d'excitations. En collaboration avec des collègues de l’université Christian-Albrechts de Kiel (CAU) et d’Espagne, il a réussi à décrypter ces données d’une manière inédite. Les résultats ont été publiés dans la revue « Physical Review Letters » et mis en avant par les rédacteurs en chef dans une rubrique intitulée « Editors’ Suggestion ».

Ce qui se cache derrière les pics

Dans le cadre de leur étude, les scientifiques ont examiné la molécule de cobaltocène sur une surface de plomb qui devient supraconductrice à très basse température, c'est-à-dire qui conduit le courant sans résistance. Pour ce faire, l'équipe a utilisé un microscope à effet tunnel. Ils ont rapproché sa pointe métallique de la molécule jusqu’à ce que les électrons puissent franchir la minuscule distance qui les séparait. En modifiant l’énergie des électrons et en enregistrant le courant ainsi généré, les chercheurs ont obtenu un spectre : une augmentation brusque du courant indique qu’un processus est déclenché dans la molécule à cette énergie précise. Mais un pic à lui seul ne permet pas encore de déterminer quel processus se cache exactement derrière. La situation devient particulièrement déroutante lorsque de nombreuses excitations différentes apparaissent dans un même spectre.

Afin de distinguer les différents signaux, l'équipe a introduit des électrons supplémentaires dans la molécule, puis les a retirés. Les chercheurs ont également étudié l'effet d'un champ magnétique puissant sur les processus d'excitation. La combinaison de ces deux éléments a finalement permis de déterminer le type d'excitation, qu'il s'agisse d'une oscillation de la molécule, d'un renversement du spin d'un électron ou du passage d'un électron d'une orbitale à une autre.

Un aperçu de l'intérieur d'une molécule

Les mesures ne se contentent pas de montrer à quelles énergies les excitations se produisent. La répartition spatiale de la probabilité d'excitation a également été déterminée avec une résolution submoléculaire. Une comparaison avec les résultats de calculs complexes (théorie de la fonctionnelle de la densité, extension dépendante du temps TDDFT) a confirmé l'attribution des signaux de mesure aux états moléculaires concernés.

« Les molécules sont des systèmes quantiques. Pour contrôler leurs états et éventuellement les utiliser comme éléments constitutifs d’ordinateurs quantiques, des températures très basses sont indispensables », explique le Dr Alexander Weismann, coauteur de l’étude. « Actuellement, le département de physique de Kiel mène des recherches de pointe sur les phénomènes quantiques dans le cadre du programme KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science). J’espère que l’université de Kiel (CAU) ne renoncera pas à ce domaine prometteur. »

Publication originale : Banerjee, A. et al. : Coexistence d’excitations de spin, vibratoires et orbitales dans les spectres de conductance, Physical Review Letters 137, 116403 (2026) ; DOI : 10.1103/mwl6-8nzl

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