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La réfraction d’atomes de néon pour mesurer les forces attractives vers une surface

par Martrenchard-Barra Séverine - 19 juin

L’interaction de Van der Waals entre un atome et une surface représente un défi aussi bien pour les modèles théoriques que pour les expériences. Ces forces de physisorption sont faibles. Pourtant, elles gouvernent les premières étapes de l’interaction des particules de gaz avec les surfaces. Ces forces peuvent être suffisamment fortes pour contrer la répulsion dite « de Pauli » entre les densités électroniques et donner lieu un puits de potentiel de quelques meV à une dizaine de meV, situé à quelques Angstrœm de la surface. Par la suite, des réactions chimiques entre ces atomes et molécules physisorbées ou même avec le substrat peuvent prendre place.

Une des techniques de choix pour mesurer ces forces consiste à identifier les états liés associés à ce puits de potentiel.
C’est ainsi que dès 1930 Otto Stern observa des singularités dans les intensités diffractées d’atomes d’hydrogène et d’hélium sur un cristal. Ces anomalies furent ensuite analysées par Lennard-Jones, Devonshire et London qui proposèrent des méthodes pour décrire ces forces regroupées sous le nom de forces de Van der Waals. De nos jours, des techniques très sophistiquées d’écho de spin permettent d’obtenir des résolutions sub meV sur ces énergies d’états liés. Cependant, le nombre de systèmes étudiés reste très limité et restreint à des atomes légers comme H et He3.

Nous avons développé une nouvelle manière de mesurer ces forces pour des atomes plus lourds. En faisant diffracter des atomes de néon entre 300 eV et 3 keV sous incidence rasante proche du degré, sur une surface cristalline de LiF, on observe avec une grande efficacité l’ensemble du diagramme de diffraction, c’est la technique GIFAD découverte à l’ISMO. Ce diagramme de diffraction résulte du découplage du mouvement lent (perpendiculaire à la surface) et du mouvement rapide (parallèle à la surface) des atomes incidents. Dit autrement, cela signifie que le projectile voit des rangées bien alignées d’atomes, formant une sorte de tôle ondulée qui sert de réseau de diffraction pour l’onde atomique. Classiquement, la diffusion latérale est d’autant plus forte que la tôle ondulée est profonde, en particulier, on observe une forte intensité diffusée au voisinage de l’angle maximum de déflection ; c’est l’effet dit ’arc-en-ciel’, bien connu en optique et physique des collisions.

Pour un atome léger tel que l’hélium, sa longueur d’onde à quelques meV est telle que seul le pic spéculaire est intense et l’effet arc-en-ciel n’est pas visible. Ce sont les variations brutales d’intensité qui signent la présence de résonances et révèlent la profondeur du puits attractif.

Pour un atome lourd, c’est l’inverse, la longueur d’onde reste petite même à quelques meV de sorte que de nombreux ordres de diffraction sont présents, rendant l’observation des résonances d’états liés presque impossible car leur densité est trop forte et leur effet sur les intensités est bien moins contrasté. En revanche, la présence de nombreux ordres de diffraction permet de suivre la position de l’arc-en-ciel.

Sur la figure, l’angle d’incidence θ est fixe à 0.42 deg. et l’on varie l’énergie E entre 300 eV et 3 keV. Pour E= 1 keV l’énergie effective Eperpendiculaire = E sin2θ n’est que de 50 meV. On voit bien qu’en dessous de cette valeur, l’angle latéral de l’arc-en-ciel augmente. En phase d’approche, l’atome de néon est accéléré par ces forces, de sorte que l’impact sur la surface a lieu avec une énergie légèrement augmentée. Il est alors diffusé au voisinage de l’arc-en-ciel mais, en voie de sortie, l’atome est attiré vers la surface et il est observé à plus grand angle.

Un nouveau développement théorique nous a permis d’ajuster directement un potentiel d’interaction avec la surface tel que la diffusion quantique sur cette surface de potentiel reproduit quantitativement les intensités de tous les ordres de diffraction observés et ainsi de mesurer finement la profondeur du puits attractif.

Lien vers la publication : J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 12, 4564–4569