Les ingénieurs d'IBM développent un thermomètre nanoscopique, permettant une cartographie thermique précise des dispositifs quantiques

Le laboratoire IBM qui a été le pionnier du microscope à effet tunnel (STM) et du microscope à force atomique (AFM) a introduit un nouvel outil indispensable pour la recherche nanoscopique : un thermomètre à sonde de balayage capable de mesurer des températures avec une précision de millikelvin.

Évaluer avec précision la température d'objets à l'échelle du nanomètre a longtemps posé un défi. Les méthodes existantes sont soit imprécises, soit introduisent des artefacts de mesure qui compromettent la fiabilité.

Motivés par le besoin de caractériser les conceptions de transistors de nouvelle génération pour le calcul cognitif, des scientifiques d'IBM en Suisse, en collaboration avec l'ETH Zurich, ont dévoilé une technique révolutionnaire. L'invention brevetée est décrite dans la revue à comité de lecture Nature Communications sous le titre « Temperature mapping of operating nanoscale devices by scanning probe thermometry ».

Historique d'innovation

Dans les années 1980, les chercheurs d'IBM Gerd Binnig et le défunt Heinrich Rohrer ont reconnu que les instruments existants ne pouvaient pas sonder directement la structure électronique d'une surface. Ils ont inventé le STM, une décision qui leur a valu le prix Nobel de physique 1986 et a ouvert le domaine de la nanotechnologie.

Aujourd'hui, plus de trois décennies plus tard, les scientifiques d'IBM suivent cet esprit pionnier avec un thermomètre conçu pour l'échelle nanométrique.

Le Dr Fabian Menges, post-doctorant chez IBM et co-inventeur, note : « Nous avons commencé en 2010 et sommes restés implacables. Les travaux antérieurs se concentraient sur un thermomètre nanoscopique, mais nous l'avons réinventé comme un thermomètre pour le nanoscopique — une distinction essentielle qui a mené à notre approche de thermométrie par sonde de balayage. »

Comment fonctionne la thermométrie par sonde de balayage

Les mesures de température traditionnelles impliquent de mettre un thermomètre en contact thermique avec un échantillon, lui permettant d'équilibrer. Bien que cela fonctionne à l'échelle macroscopique, cela échoue à l'échelle nanométrique où la sonde ne peut pas s'équilibrer sans perturber l'échantillon — imaginez essayer de mesurer la température d'un virus avec un thermomètre conventionnel.

La solution d'IBM est une technique non d'équilibre, à balayage unique, qui capture deux signaux simultanés : le flux de chaleur vers la sonde et la résistance au flux de chaleur. En combinant ces mesures, la méthode quantifie avec précision la température d'objets nanoscopiques.

Le Dr Bernd Gotsmann explique : « C'est comme toucher une plaque chaude et en déduire la température à partir du flux de chaleur entre votre main et la plaque. L'extrémité de la sonde agit comme la main ; connaître la résistance thermique est essentiel pour une estimation précise. »

L'équipe a validé la technique sur un nanofil d'arséniure d'indium (InAs) et une interconnexion en gold auto-chauffée, atteignant une résolution spatiale de quelques nanomètres et une résolution thermique de quelques millikelvins.

Applications et impact

Menges souligne que le scanner est non seulement précis mais aussi convivial, simple à construire et polyvalent. Il peut mesurer les points chauds de température dans les dispositifs nano- et micro-, influençant les propriétés des matériaux et guidant les réactions dans les transistors, cellules mémoire, convertisseurs thermoélectriques et structures plasmoniques.

Laboratoires sans bruit

Le développement du thermomètre s'est accéléré après le déménagement de l'équipe vers les Noise Free Labs — six mètres sous terre au Centre de nanotechnologie Binnig et Rohrer. Cet environnement élimine les vibrations, le bruit acoustique, les interférences électromagnétiques et les fluctuations de température, permettant une précision sous-millikelvin.

« Même en dehors de ce cadre contrôlé, la technique fournit des résultats fiables », déclare Menges.

Perspectives futures

Gotsmann exprime son optimisme : « Nous anticipons que ce travail suscitera enthousiasme et soulagement parmi les chercheurs cherchant un tel outil. Comme le STM, nous espérons licencier la technologie aux fabricants, l'intégrant dans les suites de microscopie de prochaine génération. »

Les scientifiques reconnaissent le soutien du 7e Programme-cadre sous le projet NANOHEAT et du Fonds national suisse de la recherche scientifique.