Microscope à effet tunnel

[Coccinelleamoustaches]

Salut à tous !
J'ai une question de principe sur le microscope à effet tunnel (qui ne rentrera pas trop dans le détail de la quantique normalement). Je vais commencer par vous expliquer les grandes lignes de ce que j'en ai compris, pour que vous puissiez me dire s'il y a une erreur :


Si j'ai tout bien compris comme kesk'y faut, l'idée de base est d'amener une pointe monoatomique à proximité de la surface d'un conducteur (comportant donc des électrons libres). En appliquant une différence de potentiel entre pointe et matériau, on tend à créer un courant. Sauf qu'en physique classique, l'épaisseur de vide/air entre la pointe et l'échantillon joue bien sûr le rôle d'isolant et empêche la circulation. Mais dans le monde quantique, les électrons ont toutefois une probabilité non nulle de réussir à franchir la barrière, si celle-ci n'est pas trop épaisse (effet tunnel).
Ainsi, un courant peut se mettre en place grâce aux électrons qui passent. Il est grosso modo gouverné par leur probabilité de passage. Or, celle-ci est fortement dépendante de l'épaisseur de la barrière (décroissance exponentielle). Donc si on cherche à maintenir un courant constant grâce à un asservissement en position (qui maintient le même courant et donc la même épaisseur d'air), on peut déduire une cartographie du relief de la surface en observant le signal de l'asservissement. Un peu comme si on suivait la surface du doigt (sauf qu'il y a ici une petite épaisseur entre "le doigt" et la surface, qu'on cherche à maintenir constante via le courant).


Bon.
Si ceci est juste, voilà ma question : pourquoi aller chercher un phénomène aussi subtil que le tunnel quantique ?
En effet, à ma connaissance, il n'est pas la peine de de faire appel à la méca quantique pour laisser circuler des électrons dans l'air...
Est-ce qu'on ne peut pas tout simplement utiliser la tension de claquage de l'air pour produire le même résultat ? En imposant une ddp constante, est-ce qu'on ne pourrait pas rapprocher la pointe jusqu'à obtenir un claquage ? Il correspond à une distance bien précise entre pointe et surface (cf loi de Paschen). Ainsi, par un procédé similaire d'asservissement on serait capable de maintenir à nouveau une distance constante ("distance de claquage" à ddp fixe), et par la même astuce "scanner" la surface.

J'ai pensé à quelques obstacles qui pourraient rendre cela impossible en pratique mais je ne sais pas si ce sont les vraies raisons :

-durée de vie de l'appareil (un claquage est en général très violent). Il n'est peut-être pas possible de concevoir un appareil "fait pour claquer" et qui puisse tenir la route. sans compter les dégâts potentiels sur l'échantillon...
-Cette page wiki https://fr.wikipedia.org/wiki/Tensio...ge#cite_note-3 dit que la tension de claquage est "aléatoire". Cependant, j'ai du mal à déterminer si cette page est très fiable... Cependant, s'il a raison, ça pourrait expliquer : la "distance de claquage" dont je parlais serait alors mal définie, et ne permettrait pas une mesure précise. Car le claquage pourrait survenir à des distances variables (on n'est plus alors capable de suivre la surface à distance constante)


Voilà, je suis curieux d'avoir vos clés sur cette question
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[LPFR]

Bonjour.
Si vous regardez une surface à une distance 10 ou 20 fois plus grande que le diamètre des atomes, vous verrez une surface plane.
L’intérêt d’utiliser un processus très sensible à la distance est que vous ne voyez que l’atome le plus proche. Les voisins sont « tellement loin » (à une distance 1,5 fois plus grande) que l’effet tunnel ne se produit pas.
Au revoir.

[Resartus]

Bonjour,
Le but d'une observation, c'est de perturber le moins possible ce qu'on observe. L'intérêt de l'effet tunnel, c'est qu'il ne modifie que très peu la configuration du nuage électronique observé.
Si on faisait de la microscopie électronique "classique", les ordres de grandeur des énergies nécessaires pour avoir des détails à l'échelle atomique seraient alors comparables et on modifierait beaucoup ce qu'on veut observer*. Je n'ose même pas imaginer l'effet qu'aurait l'application des tensions nécessaires au claquage! (outre l'imprécision, dont tu as déjà parlé)

*cependant, on peut faire un peu mieux, en faisant une accumulation d'images à faible énergie (donc de grandes longueurs d'onde) et en en faisant un traitement informatique. C'est possible sous réserve que l'objet observé ne change pas trop sur la période de capture d'images considérée

[Coccinelleamoustaches]

Merci pour la réponse !
Effectivement, il nous faut une petite distance. Mais n'est-il pas théoriquement possible d'obtenir une "distance de claquage" très faible également avec une forte ddp et une très haute pression dans le gaz ? (le microscope travaillerait donc sous atmosphère contrôlée, ce qui le rend déjà moins sexy...)

[A voir en vidéo sur Futura]

[Coccinelleamoustaches]

Oups, j'ai raté la réponse de Resartus ! Merci pour ces précisions supplémentaires. Ca correspond, en bien plus précis, à ce que je craignais plus haut en parlant des dégâts sur l'échantillon.

Et j'ai répondu à ma propre de question sur l'obtention de faibles distances de claquages avec un calcul de coin de table. Il faudrait des pressions démentielles (~10 000 atm !!) pour atteindre des distances caractéristiques de l'atome

Merci donc, je pense que ça répond bien à mes interrogations