rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Microscope à balayage de sonde à très basse température
Chercheurs : Peter Grütter, Guillaume Gervais, Michael Hilke, Roland Bennewitz et Aashish Clerk
Étudiants : James Hedberg et Dr. Vera Sazonova
Contact : Peter Grütter; grutter@physics.mcgill.ca; www.physics.mcgill.ca/spm
Nous construisons un microscope à balayage de sonde pouvant opérer à des températures de
l’ordre de 50 mK et sous des champs magnétiques de 16 T. Le microscope est basé sur un capteur
à diapason. Des moteurs à glissement saccadé associés à des capteurs capacitifs assurent le
positionnement grossier de l’échantillon et de l’unité de balayage. Cet instrument est destiné à
l’étude de divers états quantiques accessibles seulement en ces conditions.
72 | RQMP | projets | Propriétés électroniques et quantiques des matériaux
La microscopie à balayage de sonde est une technique puissante
couramment utilisée non seulement pour caractériser la
structure atomique des surfaces, mais pour sonder la structure
spatiale de divers phénomènes. Elle peut servir à détecter
différents types d’interactions — atomiques, électrostatiques,
magnétiques, etc. — selon le type de sonde utilisée. À l’inverse,
l’opération peut être renversée et la sonde peut servir à son tour
à influencer localement l’échantillon. En ajoutant à cette technique
les propriétés de fonctionner à très basse température
et sous l’influence d’un champ magnétique élevé, nous aurons
la possibilité d’étudier et de manipuler divers états quantiques
exotiques observés seulement dans ces conditions extrêmes.
Notre microscope est basé sur un diapason de quartz dont
un des micros-leviers (cantilever) est une pointe de Si. Cette
pointe, lorsque balayée très près de la surface, est sujette aux
forces émanant de celle-ci. Les gradients de force spatiaux
provoquent une modification de la fréquence de résonance,
ou de l’amplitude, du diapason. En mesurant celle-ci, en fonction
de la position de la pointe sur l’échantillon, nous pouvons
tracer une carte spatiale des interactions entre la pointe et
l’échantillon.
Le microscope est monté sur un réfrigérateur à dilution dont la
température de base est de 50 mK, au centre d’un aimant de
16 T. Un grand soin est apporté à isoler le système des vibrations.
La sonde est installée au-dessus du tube piézoélectrique
de balayage, surmonté de l’échantillon, qui est installé à l’envers
(Figure 1). Des moteurs à glissement saccadé associés à
des capteurs capacitifs assurent le positionnement grossier de
l’échantillon et de l’unité de balayage à basse température. Les
contrôles électroniques assurant l’opération du microscope
sont à la température ambiante.
Nous avons d’abord vérifié le fonctionnement du microscope
aux conditions ambiantes et dans l’azote liquide. La standardisation
de l’espacement, de la taille et de la profondeur des alvéoles
de DVD (Figure 2) nous a permis de calibrer les constantes
piézoélectriques à différentes températures. La démonstration
de la stabilité du microscope est faite par l’image de marches
atomiques sur du KBr à 4 K et 15 T. Il s’agit de l’image AFM
sous le plus haut champ magnétique jamais réalisée. Nous
travaillons maintenant à la réalisation de mesures à 50 mK.
Figure 1. Photographie et schéma du microscope.
Figure 2. Image d’alvéole
de DVD prise à 77 K.
Figure 3. KBr à 4 K et 15 T. Les marches
atomiques sont bien visibles.