Navigation – Plan du site

Des “photographies” d’atomes ?

Une figure de la rhétorique scientifique
Jean-Éric Wegrowe
p. 76-87

Texte intégral

L’auteur tient à remercier Luce Lebart et Michel Poivert qui sont à l’origine de cet article, de même que Francesco Panèse et Olivier Lugon pour leurs conseils. Cet article n'aurait pas vu le jour sans la participation active de Pietro Gambardella, aux commandes d'un des microscopes à effet tunnel, ainsi que de l'équipe des professeurs Harald Brune et Klaus Kern, qui ont prêté les images.

1Le but de cet article est de mettre en évidence le statut particulier de la présentation de résultats de mesures physiques sous forme d’images de “type photographique”, dans le contexte des résultats récents de la microscopie à très haute résolution. Les images de type photographique étant des représentations, sur une feuille ou un écran, de mesures prises dans l’espace à trois dimensions, dans lesquelles la perspective est ajoutée artificiellement, généralement par des jeux d’ombre et de lumière. Ces images permettent de “voir” à l’échelle atomique des objets définis et décrits par une théorie très élaborée, la mécanique quantique. Sous leur apparence de “photographie”, de telles images sont lisibles sans autre connaissance préalable, alors que les mesures habituelles d’objets microscopiques sont indirectes et difficiles, et leur interprétation exige évidemment des connaissances théoriques, techniques et pratiques très pointues.

2Ainsi, il semblerait que l’apparition des “images d’atomes” apporte un argument définitif à la réalité des atomes, ou autres objets de taille comparable. Vivrions-nous une confirmation supplémentaire de la vision rationnelle du monde ?

  • 1 Cf. A. Sokal, J. Bricmont, Impostures intellectuelles, Paris, éd. Odile Jacob, 1999.
  • 2 Ce débat peut être plus ou moins résumé en un affrontement entre réalistes et antiréalistes, le réa (...)
  • 3 Cf. Culture technique, n° 22 (1991). En particulier B. Latour, “Le travail de l’image ou l’intellig (...)

3Si elle est assez spécialisée, cette question porte pourtant en elle un intérêt beaucoup plus général, relatif aux retombées philosophiques des développements en physique contemporaine et de la redistribution des images scientifiques. On sait, en effet, qu’il existe un débat, parfois assez passionné1, sur la nature de la “réalité” ou du “vrai” scientifiquement définis2, et d’autres questions de portée très vaste, telles que le caractère d’anhistoricité, ou d’universalité, des énoncés scientifiques. Nombre d’interrogations ont été formulées à propos des mythologies scientifiques lors de travaux portant sur les images et l’iconographie3.

  • 4 J. Hildevoord (éd.), Physics and our view of the world, Cambridge, Cambridge University Press, 1994
  • 5 M. Bitbol, op. cit., p. 218.

4Le problème de l’atomisme est, on le sait, d’une robustesse qui n’a d’égale que sa récurrence dans l’histoire. Qui ne s’est pas soucié de cette petite brique, permettant de rationaliser le monde, en concentrant le mystérieux et l’inconnu dans une région de l’espace tellement infime qu’elle en devient insignifiante, éliminant par là le problème. Le stratagème étant efficace, certes, mais grossier, on sait que le problème resurgira par ailleurs. Soit on s’entête, l’atome devient un objet de plus en plus complexe, composé de myriade de sous-objets élémentaires et insécables ; soit on renonce, et on verse dans l’anti-atomisme. L’anti-atomisme prendra au cours de l’histoire des formes variées mais reposant sur l’idée que seules peuvent être correctement définies en physique les grandeurs directement mesurables (comme l’énergie) et non pas des concepts. Mais alors, une image d’atome, ce serait enfin une mesure directe de ce vieux concept ? La technique, dont les principes reposent sur la même logique qui a permis de définir l’atome comme concept non mesurable, aurait rattrapé l’infiniment petit au point de rendre mesurable une région de l’espace rendue jusque-là insignifiante ? Ces spéculations concernent particulièrement les développements récents de la physique quantique4. Il s’agit ici de se pencher sur un des volets de ce débat, relatif au rôle de la microscopie dans la « crise de l’atomisme contemporain5». Les images d’atomes sont-elles un argument dans ce débat ?

Représentation de données  expérimentales en microscopie

5Une caractéristique propre aux microscopes optiques (ou aux lunettes astronomiques), par rapport aux autres instruments de mesures physiques, est de fournir des informations sous forme d’images représentant les objets observés dans l’espace. L’observation est représentée sous la forme d’un dessin (aux siècles derniers) ou d’une photographie de façon à permettre de divulguer la mesure au sein de la communauté scientifique. Pour cet enregistrement, la troisième dimension de l’espace est nécessairement escamotée sous une forme ou une autre pour que l’objet figure sur une feuille ou un écran (c’est une opération de projection). Dans le cas de la photographie habituelle (en lumière visible), ce codage est inclus dans la mesure, parce que les jeux d’ombre et de lumière contiennent précisément l’information sur la troisième dimension. Mais pour tout autre type de mesure, il faut recoder l’information perdue avec les règles de la perspective. Cette opération ne pose généralement pas de problème d’interprétation parce que le codage (et le décodage) est assez naturel (c’est-à-dire culturellement intégré). Cependant, offrir des images dans l’espace classique à deux ou trois dimensions, l’espace dit “direct”, est une particularité remarquable dans le cadre des représentations de données expérimentales en physique. Généralement les paramètres définissant un objet sont beaucoup plus abstraits, et d’autres types d’espaces sont nécessaires à la description et la représentation de la mesure. Les exemples d’espaces plus abstraits qui concernent particulièrement le problème des mesures à l’échelle atomique sont par exemple les images de spectroscopie. Un spectre est un graphique représentant l’intensité ou la phase de la lumière (ou du courant électrique, etc.) en fonction de l’énergie ou d’une grandeur appariée (par exemple la longueur d’onde). L’interprétation d’une représentation de type spectral est généralement difficile (parce que, comme son nom le suggère, l’image représentée n’a pas de signification intuitive immédiate). Elle nécessite une grande familiarité avec les appareils de mesure qui ont permis l’enregistrement représenté et les théories pour les décrire. Ces mesures font aussi souvent intervenir plusieurs dimensions (pour définir un rayonnement, il faut souvent définir des longueurs d’onde dans les trois directions de l’espace). Les graphiques résultants n’ont rien en commun, en termes de “visualisation” d’un concept, avec une image de type photographique.

  • 6 Cit. in W. Heisenberg, La Partie et le Tout, le monde de la physique atomique, Paris, Flammarion, 1 (...)

6Un certain type de spectres (spectres de Laue, 1912), utilisant les rayons X, a permis de mettre en évidence l’arrangement régulier des atomes dans les cristaux. Ces images obtenues par spectroscopie, et bien qu’indirectes, ont été les premières “images d’atomes” dans le sens où la résolution de ces images était atomique. Un traitement mathématique (la transformée de Fourier) permet de reconstituer ces spectres en images dans l’espace direct et d’obtenir ainsi des images d’atomes. C’est à propos de telles images d’atomes que l’un de pères fondateurs de la mécanique quantique, Niels Bohr, disait : « [...] ces images ont été réduites ou plutôt, si vous préférez, “devinées” à partir de faits expérimentaux ; elles ne sont pas le fruit d’un quelconque calcul théorique. J’espère que ces images décrivent la structure des atomes aussi bien – mais seulement aussi bien – que cela est possible dans le langage visuel de la physique classique. Nous devons nous rendre compte que nous ne pouvons nous servir ici du langage qu’à la manière des poètes qui, eux aussi, ne cherchent pas à représenter les faits de façon précise, mais seulement à créer des images dans l’esprit de leur public et à rétablir des connexions sur le plan des idées6. »

Microscopie et photographie

  • 7 G. Binnig, H. Rohrer, “Scanning tunneling microscopy”, Helvetica Physica Acta, n° 55, 1982, p. 726.
  • 8 Cf. D. Eigler, E. K. Schweizer,  “Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope”, N (...)
  • 9 Site internet d’IBM : http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery. html

7Aujourd’hui, les dernières générations de microscopes haute résolution permettent d’obtenir directement des images d’atomes. Le microscope le plus performant aujourd’hui, le microscope à effet tunnel (STM), a été inventé par G. Binnig et H. Rohrer en 19827. Cette découverte leur a valu le prix Nobel de physique en 1986. Les premières mesures présentées sous forme de “photographie” et publiées pour un large public, datent des années 19908. Les meilleurs exemples sont présentés sur le site Internet de IBM9, qui en fait une vitrine de ses activités de recherche haute technologie.

8Ces mesures ne sont pas obtenues par le biais de la lumière et d’un système photosensible, puisque la capacité du microscope optique est limitée au voisinage du micromètre. Les microscopes qui nous intéressent ici permettent de bien meilleures résolutions (quelques dix millièmes de micromètre, c’est-à-dire de l’ordre de la taille des atomes). Ils utilisent, entre autres, les propriétés de déplacement des électrons dans le vide. Les données sont donc en premier lieu des mesures de l’intensité du courant, ou de la tension électrique. À ce titre, les données expérimentales se rapprocheraient plus de la spectroscopie que de la microscopie optique. Cependant, il s’agit bien de microscopie car les échantillons mesurés sont très petits : la pointe du microscope est réduite à quelques milliers d’atomes et se trouve à très courte distance de la surface de l’échantillon. Cette pointe est déplacée sur des distances inférieures au micromètre et le déplacement des électrons est mesuré en fonction de la distance parcourue par la pointe. Il s’agit donc d’une situation intermédiaire car une partie des coordonnées décrit bien l’espace direct. Cependant, il est possible de fixer la distance entre la pointe et la “surface” mesurée en asservissant l’intensité du courant à un cristal piézo-électrique : lorsque la pointe s’écarte de la surface, le courant diminue ce qui a pour effet de dilater le cristal et la pointe revient à une même distance. En conséquence, la coordonnée qui correspond à la mesure de l’intensité du courant se trouve transformée en troisième coordonnée d’espace. La transformation, opérée par un dispositif électronique sophistiqué (c’est une “boîte noire” pour qui n’a pas construit l’appareil), est contenue dans l’appareillage même. Voilà pourquoi, contrairement aux mesures de spectroscopie standard, il y a une certaine légitimité à représenter ces mesures dans l’espace direct.

9Dès lors, deux caractéristiques suffisent à donner un rendu “photographique” aux représentations. Il s’agit d’une part de la conservation de la notion de perspective dans l’espace (qui sous-tend l’apparence du continu). Cette perspective est simulée par une fausse lumière, qui organise le jeu des ombres. L’apparence du continu est donnée par des dégradés de gris ou de couleur basés sur les propriétés de réflexion de cette fausse lumière, qui donne aussi l’apparence d’une texture (métal, liquide, mat, velours, drapé, etc.). D’autre part, un autre point commun avec la photographie est que les objets que représentent ces images sont théoriquement indépendants de la représentation choisie. Il ne s’agit pas en effet d’images de synthèse telles que les images résultant d’un calcul numérique.

La photographie  comme représentation  de données expérimentales

10Les communications scientifiques relatives à des recherches concernant la microscopie font donc très largement usage d’images de type photographique montrant des objets aux échelles considérées. Ces images dominent les graphes, les équations ajustées sur les données, les tableaux, les diagrammes ou schémas, ou autres types de représentations de collections de données expérimentales. Il importe donc de préciser quel est le message véhiculé par les images de type photographique, qui ne sont pas de simples illustrations mais qui sont données en tant que représentations majeures de résultats scientifiques.

  • 10 Cf. Roland Barthes, L’Obvie et l’Obtus, Essais critiques III, éd. du Seuil, Paris, 1982.
  • 11 Un histogramme est une représentation du nombre d’événements en fonction d’un paramètre. À ce titre (...)

11Lors de toute communication, il est d’usage de présenter les instruments qui sont à l’origine des mesures comme tout dispositif expérimental de recherche, c’est-à-dire d’une certaine façon comme indissociable de leur objet d’étude. Cela permet de garantir la mesure en explicitant le degré d’indépendance qu’elle entretient avec l’appareil qui sert à la mettre en évidence. Or, une des caractéristiques remarquable de la photographie, relative à l’imaginaire auquel elle est associée, est d’avoir tendance à montrer uniquement ce qu’elle donne à voir et d’effacer tout le reste. Outre les conditions, possibilités et limitations techniques du dispositif expérimental à l’origine de la photographie (tout ce qui se trouve entre l’objet et l’image papier), c’est surtout la spécificité de l’organisation des données produisant le résultat exhibé, comme par exemple l’ensemble des choix effectués pour aller de l’objet à sa représentation (et le degré d’arbitraire de ces choix), qui est effacée. Bref, la photographie a tendance à escamoter tout le théâtre des opérations conduisant de la mesure à ce que sa représentation donne à voir10. À l’opposé, un graphe, par exemple un histogramme11, met bien en relief l’aspect statistique de sa réalisation et suggère implicitement que le traitement statistique dont il est le résultat ne fait pas partie de l’information contenue dans le graphe. La photographie fait croire qu’en tant qu’analogie parfaite de la réalité elle se passe de tout contexte, ou de tout savoir préalable. Elle clame : « Je suis ce que tu vois ». À l’inverse, l’image d’un histogramme ou d’une équation exprime le fait que sa lecture (c’est-à-dire le décodage de la signification qu’elle véhicule) nécessite des informations annexes. Elle affiche à son fronton une phrase du genre : « Ne me lis que si tu sais ce que je montre » (une version moderne du fameux : « N’entre ici que si tu es géomètre »).

Une figure  de rhétorique scientifique

  • 12 Inversement, une théorie peut être réinterprétée et un vieil outil redevient objet d’étude. C’est l (...)

12L’écart entre ce que l’on veut représenter explicitement, ce que montre le graphe, et ce qui reste plus implicite, la technique d’obtention du graphe est un problème propre à toute communication. En physique microscopique, ce problème est compliqué par un autre choix du même ordre mais en amont, généré par la nécessité d’expliciter le degré d’indépendance entre mesure et instrument de mesure. Il s’agit d’exprimer la différenciation entre l’appareil de mesure, l’outil (ou le “sujet”), et l’objet de la mesure. Cette différence est parfaitement conjoncturelle : c’est le phénomène de déplacement de l’outil d’étude devenant l’objet d’étude et inversement. Toute théorie une fois confirmée est destinée à être à l’origine d’un appareil de mesure. Les mises en doute à son propos ne sont plus jugées pertinentes et elle sert alors d’intermédiaire fiable pour d’autres investigations12. En particulier, l’équation, qui est l’objet d’étude de la physique théorique, peut aussi être un outil. Cela se réalise chaque fois qu’une mesure est indirecte. On mesure une grandeur qui obéit à une équation dont la solution permettra d’extraire une autre grandeur qui est l’information recherchée. L’équation, qui est alors une loi, est un bras du système de mesure comme un autre. Mais il arrive aussi que l’on ne sache pas bien ce qui est le mieux établi. Lorsque l’on mesure un écart à une loi (et pour ce faire on utilise une autre loi), on ne sait pas toujours laquelle des deux il est le plus raisonnable de mettre en doute. Il y a là un choix pour présenter la hiérarchie entre ce qui est supposé être hors de doute, l’appareil de mesure et ses lois, et ce qui est l’objet des recherches, le comportement de l’objet mesuré (objet dont l’existence est précisément hypothétique). Il arrive d’ailleurs que cette hiérarchie ne se dessine clairement que très tardivement, après de nombreuses mesures indépendantes et après la publication de nombreuses communications. Lors de la rédaction de la communication scientifique, le choix des représentations des données illustre cette hiérarchie dans l’articulation des arguments utilisés. C’est le dosage entre d’une part l’utilisation d’hypothèses et la manipulation des lois, et d’autre part l’inscription des résultats expérimentaux dans un cadre théorique pertinent (objet de l’investigation), qui donne du sens à une collection de données expérimentales. À ce titre, le statut de la photographie est a priori comparable au statut d’un histogramme ou d’une équation, ou de tout autre système de représentation de données, c’est-à-dire le statut d’un argument rhétorique. “Démontrer” l’existence d’un phénomène ou confirmer la validité d’une théorie en mettant en évidence la réalité d’un phénomène demande la mise à contribution de tout l’arsenal rhétorique disponible. Connaissant la singularité des représentations de type photographique, on imagine donc facilement qu’elles tiennent une place très particulière au sein des instruments de la rhétorique scientifique.

13Une photographie  d’onde quantique

  • 13 Mesures réalisées par Lukas Bürgi du groupe du professeur K. Kern de l’École polytechnique de Lausa (...)

14Pour comprendre la distance qui existe entre la mesure et la réalité objective que l’on prête à la structure observée sur une image de type photographique, il faut rentrer dans les détails de la mesure. Cette discussion est ébauchée ci-dessous à partir d’une image mettant en scène la mythologie de la mécanique quantique. La mesure faite au microscope STM (scanning tunneling microscope) présentée ci-contre montre des oscillations typiquement quantiques13 (fig. 7). On y voit une surface d’argent à une échelle de quelques angströms, avec une marche séparant deux plans atomiques superposés et des oscillations. La surface représentée est un “liquide d’électrons” (le terme générique est “liquide quantique”) à la surface d’un réseau des noyaux d’argent. Cet aspect ondulatoire de la matière solide provient des oscillations quantiques des électrons qui interfèrent avec eux-mêmes après réflexion sur la marche (ondes planes) ou sur les impuretés (petites ondes circulaires).

  • 14 On peut décrire dans les grandes lignes quelques-unes des étapes majeures intervenant dans la conce (...)
  • 15 Le courant est défini par le déplacement de certains électrons d’énergie bien spécifique. Cette éne (...)
  • 16 J. Bardeen, “Tunneling from a many-particles point of view”, Phys. Rev. Lett., n° 6, 1961, p. 57.
  • 17 G. Hörmandinger, “Imaging of the  Cu (111) surface state in a scanning tunneling microscopy”, Phys. (...)

15Pour cette mesure, la justification a priori du choix de la représentation sous forme d’image de type photographique provient du fait que la mesure à représenter est fonction de la surface (en d’autres termes, la mesure est un “scan”) et que la grandeur mesurée par le microscope (le courant électrique : voir ci-dessous) est reliée, sous certaines conditions, à la position de “la surface de matière”. De sorte que la mesure donne finalement le paysage de la surface. Cependant, on peut se demander comment est définie la position de la “surface de matière” avec un microscope à résolution atomique. La surface est-elle définie par les noyaux des atomes, par les électrons de cœur, par les électrons délocalisés, par le vide interatomique, etc. ? Le problème n’est pas trivial et la définition de la surface est déterminée par un grand nombre de paramètres14. En effet, la grandeur “directement” mesurée est le courant électrique transitant dans le vide (par effet tunnel) entre la pointe du microscope et la surface. Comment relier le courant tunnel15 à la densité de matière dans l’espace (qui donne la position de la “surface de la matière”) ? Ceci est possible grâce à des lois, c’est-à-dire des modèles issus de calculs théoriques basés sur un certain nombre de principes (ou axiomes) et d’approximations. Sans l’existence de telles lois (dans le cas présent, il s’agit du modèle de J. Bardeen16, complété entre autres par G. Hörmandinger17), la mesure effectuée serait toujours représentée par un graphique de l’intensité du courant en fonction des deux coordonnées d’espace ; c’est-à-dire un spectre et non pas une photographie.

  • 18 L. Bürgiet al., “Confinement of surface state electrons in Fabry-Pérot resonators”, Phys. Rev. Lett (...)

16On peut choisir d’utiliser cette mesure pour revendiquer un seul des deux messages suivants : soit la mesure est une confirmation du modèle qui donne le courant tunnel en fonction de la “densité de matière” ; soit le modèle est accepté par hypothèse en tant que loi et la mesure est effectivement une représentation de la surface telle que la donne à voir l’image de type photographique. Dans le premier cas, l’image donne des indices corroborant la validité de la loi du courant tunnel. On s’attend en effet (dans le cadre de la théorie des liquides quantiques) aux oscillations observées, et une analyse quantitative (non présentée sur la figure) est en accord avec les théories sur le comportement électronique à la surface des métaux. Dans le deuxième cas, on a effectivement une image de la surface de matière à l’échelle atomique, mais du coup, la matérialité intuitive que l’on prête à la structure présentée sur cette image coïncide avec la matérialité objective de la grandeur physique “densité de matière” par hypothèse uniquement. C’est donc un présupposé. Par conséquent, cette mesure ne donne aucune indication sur la réalité objective de la structure observée. Les électrons qui interfèrent avec eux-mêmes sont une conséquence des hypothèses posées avec la définition de la densité de matière et la loi du courant tunnel. En revanche, l’étude quantitative de cette mesure (qui est une remarquable prouesse technique et scientifique, notons-le au passage) donne évidemment des informa­­tions quantitatives sur les formes et les  amplitudes des oscillations, et  la nature du liquide quantique dont l’existence est posée en hypothèse. La pertinence du message et les conclusions relatives à cette mesure sont accessibles dans les deux publications présentant ce résultat18 (ces arguments sont illustrés par des représen­tations des mêmes me­sures qui ne sont pas de type “photographique”).

17Mais, répétons-le, ces messages ne sont pas con­tenus dans la représentation de la figure. Il est entre autres nécessaire de connaître au préalable la loi reliant le courant tunnel à la densité de matière, les hypothèses et approximations permettant de l’obtenir, le degré de confiance qu’on peut lui accorder pour établir les limites de validités de la mesure.

Conclusion

18Cet exemple de mesure microscopique montre que la représentation de type photographique de données expérimentales véhicule bien plus de signification que ne le laisse supposer le contexte scientifique de sa production. On a souligné ici la signification véhiculée la plus évidente, et qui est une conséquence de l’aspect dénoté de la photographie : la représentation fait croire que sa lecture se passe d’autres référents. Les référents étant par exemple la description de l’appareil de mesure ou les hypothèses nécessaires au traitement des données. Il s’ensuit une impression de réalisme très forte mais parfaitement injustifiée.

19Si ces caractéristiques de l’image photographique sont bien connues et exploitées dans d’autres champs de l’activité sociale (journalistique, artistique, publicitaire, etc.), il semble qu’elles ne sont pas assez reconnues dans l’activité scientifique. Avec la nécessité croissante d’informer les non-spécialistes (que sont notamment les pourvoyeurs de fonds) et la multiplication des articles de vulgarisation, on voit apparaître en masse ce type d’arguments “graphiques” extrêmement convaincants.

  • 19 Voir par exemple, D. Givlini, E. Joos, C. Kiefer, J. Kupsch, I.-O. Stanratescu, H. D. Zeh, Decohere (...)

20Dans le débat sur la validité de la représentation atomique et sur la preuve de l’existence des atomes (ou de tout objet quantique), ces images doivent être utilisées avec beaucoup de précautions. La microscopie à l’échelle atomique n’apporte pas plus, sur le caractère réaliste des objets qu’elle exhibe, que les autres types d’expériences accumulées tous les jours dans les laboratoires. L’interprétation des résultats, longue et difficile, est toujours sujette à controverse19, ne l’oublions pas.

21#Notes Romains#

22Le groupe de D. Eigler à IBM est lancé dans un travail de recherche reposant sur des financements très importants, visant à brancher directement le microscope “en ligne” sur le site Internet, l’objectif étant de manipuler les atomes “en ligne”.

Notes

1 Cf. A. Sokal, J. Bricmont, Impostures intellectuelles, Paris, éd. Odile Jacob, 1999.

2 Ce débat peut être plus ou moins résumé en un affrontement entre réalistes et antiréalistes, le réaliste étant celui qui croit en une réalité intrinsèque, indépendante de la façon dont elle est décrite et indépendante de toute énonciation (sur ces distinctions et définitions, voir le livre éclairant de M. Bitbol, L’Aveuglante Proximité du réel, Paris, Flammarion, 1998).

3 Cf. Culture technique, n° 22 (1991). En particulier B. Latour, “Le travail de l’image ou l’intelligence scientifique redistribuée”, p. 12 ; Michel Mercier, “Les images de microscopie électronique : construire un réel invisible”, p. 25, et Jocelyn de Noblet, “Se servir des images”, p. 102.

4 J. Hildevoord (éd.), Physics and our view of the world, Cambridge, Cambridge University Press, 1994.

5 M. Bitbol, op. cit., p. 218.

6 Cit. in W. Heisenberg, La Partie et le Tout, le monde de la physique atomique, Paris, Flammarion, 1990.

7 G. Binnig, H. Rohrer, “Scanning tunneling microscopy”, Helvetica Physica Acta, n° 55, 1982, p. 726.

8 Cf. D. Eigler, E. K. Schweizer,  “Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope”, Nature, n° 344, 1990, p. 524.

9 Site internet d’IBM : http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery. html

10 Cf. Roland Barthes, L’Obvie et l’Obtus, Essais critiques III, éd. du Seuil, Paris, 1982.

11 Un histogramme est une représentation du nombre d’événements en fonction d’un paramètre. À ce titre, un spectre est un histogramme où l’événement est une mesure de l’intensité de la lumière. La définition de l’événement n’est pas nécessairement contenue dans le graphe.

12 Inversement, une théorie peut être réinterprétée et un vieil outil redevient objet d’étude. C’est le cas par exemple de la résonance magnétique nucléaire. Outil de diagnostic médical sous le terme d’imagerie par résonance magnétique (IRM), cet outil est replacé comme objet d’étude dans le cadre des “ordinateurs quantiques”. Dans l’article de I. L. Chuang et al., “Experimental realization of a quantum algorithm”, Nature, n° 393, 1998, p. 143, il n’y a expérimentalement et formellement rien de plus que ce qui était déjà réalisé dans les années 1960. En revanche, le cadre théorique pertinent s’est déplacé.

13 Mesures réalisées par Lukas Bürgi du groupe du professeur K. Kern de l’École polytechnique de Lausanne avec un microscope STM à basse température.

14 On peut décrire dans les grandes lignes quelques-unes des étapes majeures intervenant dans la conception de cette image. En premier lieu l’instrument de mesure, c’est-à-dire ce qui correspondrait à l’optique et aux mécanismes photosensibles d’impression pour une photographie conventionnelle. Cette image représente la position de la pointe du microscope, dont les déplacements dans le plan sont mesurés par des cristaux piézo-électriques. La pointe est déplacée lentement en ligne sur la surface mesurée. Que signifient alors les variations de hauteur de la pointe du microscope ? Un courant constant est maintenu entre la pointe et l’échantillon. Les électrons participant à ce courant traversent l’espace (le vide) par un effet typiquement quantique, l’effet “tunnel”. Avec une boucle d’asservissement, il est possible de maintenir le courant constant à condition de laisser libre la hauteur de la pointe du microscope (mesurée par un autre piézo-électrique), de sorte que la position de la pointe du microscope est en relation simple avec le courant électrique tunnel. Par contre, le courant tunnel n’a pas de signification intuitive évidente, mais ce courant peut être relié à l’aide de modèles théoriques, à une autre grandeur, la densité locale d’états électroniques (en anglais local density of states : LDOS). C’est cette grandeur, contrairement aux deux autres, qui a la signification intuitive de la “densité de matière”.

15 Le courant est défini par le déplacement de certains électrons d’énergie bien spécifique. Cette énergie dépend entre autres du potentiel électrique appliqué.

16 J. Bardeen, “Tunneling from a many-particles point of view”, Phys. Rev. Lett., n° 6, 1961, p. 57.

17 G. Hörmandinger, “Imaging of the  Cu (111) surface state in a scanning tunneling microscopy”, Phys. Rev. B, n° 49, 1994, p. 13897.

18 L. Bürgiet al., “Confinement of surface state electrons in Fabry-Pérot resonators”, Phys. Rev. Lett., n° 81, 1998, p. 5370, et  O. Jeandupeux et al., “Thermal damping of quantum interference patterns of surface-state electron, Phys. Rev. B, n° 59, 1999,  p. 15926.

19 Voir par exemple, D. Givlini, E. Joos, C. Kiefer, J. Kupsch, I.-O. Stanratescu, H. D. Zeh, Decoherence and the appearence of the classical word in quantum theory, Berlin, Springer, 1999.

Pour citer cet article

Référence électronique

Jean-Éric Wegrowe, « Des “photographies” d’atomes ? », Études photographiques, 10 | Novembre 2001, [En ligne], mis en ligne le 21 septembre 2008. URL : http://etudesphotographiques.revues.org/264. consulté le 31 mars 2017.

Auteur

Jean-Éric Wegrowe

École polytechnique fédérale de Lausanne

Droits d’auteur

© Etudes photographiques