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Résultat Micro et NanoTechnologies : Sonde optomécanique de forces atomiques à très haute fréquence :


​Des chercheurs du CEA-Leti et du CNRS1,2,3, en collaboration avec la société Vmicro SAS, ont mis au point une sonde de microscope à force atomique exploitant l'interaction optomécanique pour un fonctionnement à très haute vitesse. Grâce à une fréquence de vibration cent fois plus élevée que celles des sondes usuelles et à une sensibilité extrême au mouvement, la sonde optomécanique ouvre la voie aux mesures AFM ultra-rapides. Cette approche fait l'objet d'un brevet et les premiers résultats sont publiés dans la revue Nanoscale.

Publié le 17 février 2020
  • ​Le microscope à force atomique AFM est un instrument versatile qui a contribué à l'essor des nanosciences. Il est aujourd'hui omniprésent dans la recherche scientifique et technologique. Son fonctionnement repose sur l'analyse de la vibration d'une pointe très fine se déplaçant à la surface d'un échantillon. Les applications les plus avancées, par exemple en biophysique, nécessitent de capturer des images à une cadence ultra-rapide et de mesurer des forces de liaisons moléculaires avec une résolution temporelle proche de la nanoseconde. De telles performances sont aujourd'hui hors de portée des sondes AFM existantes, fondées sur le concept du levier mécanique vibrant qui a très peu évolué depuis son invention.

  • Des chercheurs du CEA-Leti et du CNRS1,2,3, en collaboration avec la société Vmicro SAS, soutenus par le projet ANR OLYMPIA4, explorent une approche pour lever ce verrou en développant le concept d'une sonde AFM optomécanique. Cette sonde repose sur l'exploitation d'un anneau micrométrique de silicium qui couple dans un même résonateur des modes optiques de galerie et des modes mécaniques de respiration à forts facteurs de qualité. Les forces optiques au sein de l'anneau sont employées pour mettre en mouvement une nano-pointe, alors que l'interaction optomécanique permet de mesurer l'amplitude de la vibration mécanique induite avec une résolution ultime.


​Modélisation par éléments finis des modes mécaniques et optiques du résonateur optomécanique formant le cœur de la sonde AFM optomécanique.
​Image de microscopie électronique à balayage d’une sonde optomécanique réalisée sur silicium avec son guide de couplage optique et sa nano-pointe.
  • Pour réaliser des prototypes de sonde AFM optomécanique, les chercheurs ont combiné leurs expertises en optomécanique, microsystèmes, microfabrication et instrumentation. Les dispositifs comportent de manière monolithique un résonateur optomécanique doté d'une pointe, formant le cœur de la sonde, ainsi que des guides photoniques et des réseaux de diffraction pour la connexion des fibres optiques par collage. Le fonctionnement tout optique de la sonde AFM optomécanique a été démontré à des fréquences mécaniques de plus de 100 MHz, cent fois au-dessus de la fréquence des leviers AFM courants, tout en obtenant une sensibilité de mesure apte à détecter le mouvement Brownien, d'une amplitude d'un dixième de femtomètre. En outre, des expériences d'interaction mécanique entre la pointe de la sonde et un objet ont confirmé la sensibilité aux forces extérieures et à leur gradient, dans la configuration de fonctionnement d'un microscope AFM standard. Tous les ingrédients sont donc en place pour des mesures de forces atomiques à cadence supérieure avec les sondes optomécaniques.

  • Les chercheurs vont à présent implémenter ces sondes optomécaniques sur les microscopes AFM les plus avancés. Il s'agira en particulier de mener des expériences sur des systèmes biologiques en milieu liquide pour révéler au sein de complexes biomoléculaires des phénomènes dynamiques à l'échelle de la nanoseconde, demeurés inaccessibles à ce jour. Le marché visé est celui de l'AFM et plus particulièrement l'imagerie haute résolution à taux vidéo. Une des premières applications serait de comprendre des réactions biochimiques ultra-rapides à l'échelle moléculaire qui ne sont aujourd'hui accessibles que par simulation. C'est important pour comprendre la machinerie cellulaire et les changements de conformation de protéines pour par exemple trouver de nouveaux antibiotiques ou médicaments. 


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