Interaction molécule-surface à l'échelle nanoscopique – MELISSA

Le but du projet est d’étudier expérimentalement l’interaction de Van der Waals (vdW) entre une molécule et une surface. Pour cela, je propose de développer une nouvelle expérience couplant interférométrie atomique et refroidissement laser pour avoir un grand contrôle sur les différents paramètres expérimentaux, ainsi qu’une grande sensibilité.

Dans la nature, tout objet polarisable est soumis à la force de vdW, qui devient l’interaction dominante aux échelles nanométriques. L’étude et la compréhension de ces forces est donc de plus en plus importantes aux regards de la miniaturisation drastique de nombreux dispositifs et du développement des nanotechnologies. De plus, cette interaction est omniprésente dans toutes les sciences de surface avec les processus d’adsorption moléculaire et de réaction de surface par exemple. Malgré cela, l’interaction de vdW entre une molécule et une surface reste encore très largement inexplorée expérimentalement. Cette situation s’explique par la difficulté d’une part d’isoler cette force d’autres forces et d’autre part de contrôler précisément tous les paramètres expérimentaux. L’étude de cette interaction au niveau moléculaire est donc principalement théorique. Dans ce contexte, je propose de construire une nouvelle expérience d’interférométrie dans laquelle un paquet d’onde moléculaire refroidi par laser diffracte à travers un nanoréseau en transmission (réseau aux dimensions nanométriques avec par exemple des fentes de largeur 100 nm, une période 200 nm et une épaisseur 100 nm). Le refroidissement laser permet de contrôler l’état interne (état électronique, vibrationnel et rotationnel) et externe (vitesse) de la molécule. Le nanoréseau permet de sonder l’interaction de vdW car les molécules passent à travers les fentes du nanoréseau et interagissent avec les barreaux de celui-ci via le potentiel de vdW pour des distances typiques molécule-surface de quelques dizaines de nanomètre. Le déphasage du paquet d’onde induit par l’interaction de vdW modifie profondément la figure de diffraction mesurée. La combinaison unique de refroidissement moléculaire par laser et de diffraction d'ondes de matière sur une nanostructure nous permettra d'étudier l'interaction vdW avec une très grande précision et contrôle des paramètres du problème.

Plus précisément, cette nouvelle expérience sera consacrée dans un premier temps au rôle de l’interaction de vdW sur les différents degrés de liberté de la molécule (orientation de la molécule par rapport à la surface, changement d’état interne induit par l’interaction de vdW). Ces résultats seront comparés aux prédictions théoriques existantes sur ces phénomènes. Dans un deuxième temps, et pour les besoins en nanotechnologie, nous exploiterons un champ laser pour contrôler l’interaction de vdW en agissant sur les propriétés moléculaires internes à proximité de la surface. Le champ laser se propagera directement à l’intérieur du nanoréseau et servira à changer les forces de vdW quand les molécules se propagent à l’intérieur du nanoréseau. Enfin, j’étudierai l’interaction de vdW entre une molécule et des matériaux possédant des propriétés topologiques. Cette dernière partie du projet, plus exploratoire, s’appuiera sur les dernières découvertes concernant cette nouvelle classe de matériau et étudiera son influence sur l’interaction de vdW.