Caractériser les états excités d’atomes individuels grâce à la combinaison de la microscopie à effet tunnel et d’un laser impulsionnel

Dans une grande majorité des processus physico-chimiques, les états excités des atomes sont obtenus soit en absorbant de la lumière, soit en interagissant avec des électrons. La méthode la plus courante pour mesurer les caractéristiques de l’état quantique d’un atome excité est d’analyser la lumière émise lors de sa relaxation vers son état fondamental. Dans un gaz, il est possible d’observer de nombreux atomes se relaxant en même temps et de collecter ainsi suffisamment de signal lumineux. Lorsqu'il s'agit de réaliser ce type d'analyse sur un seul atome localisé sur une surface, le signal lumineux émis est le plus souvent trop faible pour être détecté. Il est alors essentiel de pouvoir coupler la mesure optique de l'état excité à un autre type de mesure, via une interaction avec des électrons. Cependant, la lecture électronique de l’état excité d'un nano-objet est souvent entravée par sa dynamique rapide et la lecture perturbe son état, ce qui pose plusieurs défis fondamentaux et techniques jusqu’alors non relevés.

En couplant localement un laser impulsionnel accordable pour exciter des atomes d’erbium, déposés sur une surface de silicium, à la jonction d’un microscope à effet tunnel, des chercheurs de l’Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay (ISMO, CNRS / Université Paris-Saclay) ont démontré que le courant tunnel mesuré au-dessus de chaque atome d'erbium renferme simultanément des informations concernant les états excités de la surface et de l'atome lui-même. Grâce aux grandes précision et stabilité de ce type de microscope, les physiciens ont pu distinguer entre l’origine des deux sources de photocourant (surface versus atome). De plus, en réalisant des mesures précises de spectres de photocourant sur deux types de conformations d'adsorption de l'erbium sur le silicium, il est également possible d'établir une relation précise entre les pics de photocourant et la structure électronique (état quantique) de chaque conformation de l'erbium. Grâce à une collaboration avec l'Institut Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique – Sciences et Technologies (FEMTO-ST, CNRS / Université de Bourgogne Franche-Comté), des calculs numériques utilisant la théorie de la fonctionnelle densité ont été réalisés en tenant compte de l’aspect relativiste des interactions électroniques de l’erbium ainsi que des couplages spin-orbite. Ces calculs ont permis de confirmer que les mesures expérimentales acquises en balayant la longueur d’onde du laser contiennent bien l’information des transitions électroniques les plus probables de l’erbium excité en relation aux pics de photocourant observés expérimentalement.  

L'ensemble de ces résultats suggère que la lecture des états excités de l'erbium via le courant tunnel du STM se produit lors de leur désexcitation (relaxation optique), entraînant localement la dissociation d'excitons (paires électron-trou) créés par le laser et fortement localisés au niveau des atomes d’erbium sur la surface du silicium. Cette dissociation soudaine induit une bouffée de photoélectrons mesurés dans le courant tunnel, laquelle se produit à la résonance optique de l'état excité de l'erbium sondé, au fur et à mesure que le laser accordable balaie des longueurs d’onde de 800 nm à 1200 nm. Les chercheurs ont pu définir que la résolution spectrale de cette nouvelle méthode spectroscopique est inférieure à 5 cm^-1, celle-ci étant principalement limitée par la résolution du laser utilisé.

Ces travaux, publiés dans ACS Nano, peuvent ouvrir une voie vers de nouveaux outils permettant d'explorer la dynamique de futurs nano-objets tels que des assemblages atomiques ou moléculaires. Cette technique propose ainsi de nouvelles perspectives pour des explorations expérimentales et théoriques visant à contrôler des dispositifs modèles en préparant des états quantiques spécifiques.

Figure : La lumière laser accordable en longueur d’onde (Laser in) permet la formation d’états excité dans l’erbium (Er^*) et d’excitons (non représentés) dans la surface du silicium (Si(100)). La pointe du microscope à effet tunnel (STM tip) lit les états excités de l’Er* via l’apparition de pic de photocourant dans le courant tunnel (ē). Sur la droite est représenté un exemple de spectre de photocourant illustrant la lecture des pics de désexcitation de l’Er en fonction de la longueur d’onde du laser.