CNRS La lettre innovation

Le microscope à force atomique, qui permet de réaliser des images et des mesures à l'échelle du nanomètre, joue un rôle déterminant dans le développement des nanotechnologies. Son fonctionnement repose sur l’analyse de la vibration d’une pointe très fine se déplaçant à la surface d’un échantillon. Mais les applications les plus exigeantes, par exemple pour étudier des interactions moléculaires en biologie, supposent de réaliser des images et des mesures à des fréquences hors de portée des sondes AFM actuelles, fondées sur le concept du levier mécanique vibrant.

Pour s'affranchir de cette limite, des chercheurs LAAS-CNRS¹, du Laboratoire matériaux et phénomènes quantiques² et de l'Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie³, en collaboration avec le CEA-Leti et la société Vmicro SAS, soutenus par le projet ANR Olympia, ont développé une sonde optomécanique qui, grâce à une fréquence de vibration cent fois plus élevée que celles des sondes usuelles et à une sensibilité extrême au mouvement, ouvre la voie à des mesures AFM ultra-rapides. Les premiers résultats sont publiés dans la revue Nanoscale⁴ et cette approche fait l’objet d’un brevet⁵.

Les chercheurs ont conçu et testé un nouveau concept de sonde basé sur un anneau de silicium micrométrique doté d'une nano-pointe, dans lequel est injectée de la lumière laser via des fibres et des guides optiques. Avec ce dispositif, le couplage entre les modes de résonance optique et de vibration mécanique de l’anneau a permis d'utiliser des fréquences mécaniques de plus de 100 MHz, cent fois supérieures à la fréquence de fonctionnement des sondes AFM standards. Un microscope équipé de cette sonde optomécanique pourrait ainsi capturer des images ou effectuer des mesures à une cadence ultra-rapide, avec une résolution temporelle de l'ordre de quelques nanosecondes (10^-9 s). et une sensibilité de la mesure permettant de détecter des mouvements avec une résolution inédite d'un dixième de femtomètre (soit 10^-16 m).

Les premiers tests ont été réalisés au LAAS-CNRS sur un microscope AFM spécifique. Ces sondes optomécaniques vont désormais être implantées sur les microscopes AFM standards les plus avancés. « Des essais avec un laboratoire de biologie sont en préparation », indique Bernard Legrand, chercheur CNRS et coordinateur du projet Olympia. L'objectif est de comprendre des réactions biochimiques ultra-rapides à l'échelle moléculaire, par exemple pour la recherche de nouveaux antibiotiques ou de médicaments. Les performances de ce type de dispositifs vont être explorées à des fréquences plus élevées, jusqu'au gigahertz, afin d'étendre encore l'utilisation du microscope AFM. Une sonde AFM fonctionnant à cette fréquence permettrait, par exemple, d'étudier des changements de conformation d’une molécule unique dans des milieux biologiques, phénomènes dont la durée est inférieure à 10 nanosecondes, et qui ne sont aujourd'hui accessibles que par simulation.

¹ Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (CNRS)

² Laboratoire matériaux et phénomènes quantiques (CNRS/Université de Paris)

³ Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (CNRS/Université de Lille/Université polytechnique Hauts-de-France/Centrale Lille Institut)

⁴ Optomechanical Resonating Probe for Very High Speed Sensing of Atomic Forces. P.E. Allain, L. Schwab, C. Mismer, M. Gely, E. Mairiaux, M. Hermouet, B. Walter, G. Leo, S. Hentz, M. Faucher, G. Jourdan, B. Legrand and I. Favero. Nanoscale, 12, 2939-2945 (2020), doi 10.1039/c9nr09690f

⁵ Brevet n° WO2018134377 “Probe for atomic force microscope equipped with an optomechanical resonator, and atomic force microscope comprising such a probe”, en copropriété CNRS/CEA/Université Paris-Diderot/Université des sciences et technologies de Lille 1/Vmicro, publié le 26/07/2018.