Boffins capture la première radiographie d’un seul atome

Des scientifiques américains ont réussi à capturer la première image aux rayons X d’un seul atome, et il n’a fallu que 12 ans de travail pour développer une technique et un instrument à rayons X surpuissant pour le faire.

Aujourd’hui, après une douzaine d’années de travail, l’équipe de scientifiques de l’Université de l’Ohio, du Laboratoire national d’Argonne, de l’Université de l’Illinois à Chicago et d’autres institutions a capturé une image aux rayons X d’un atome de fer réel qui, contrairement aux précédents instantanés à l’échelle atomique , permet en fait d’identifier l’atome individuel.

“Les atomes peuvent être régulièrement imagés avec des microscopes à sonde à balayage, mais sans rayons X, on ne peut pas dire de quoi ils sont faits. Nous pouvons maintenant détecter exactement le type d’un atome particulier, un atome à la fois, et mesurer simultanément son état chimique. “, a déclaré Saw Wai Hla, un scientifique d’Argonne, professeur de physique à l’Université de l’Ohio et directeur du Nanoscale and Quantum Phenomena Institute à l’OU, ainsi que le scientifique principal du projet.

Technique fraîche

Le microscope spécialement conçu pour ce nouveau type d’imagerie utilise une technique connue sous le nom de microscopie à effet tunnel à balayage de rayons X synchrotron, ou SX-STM. Cette technique est elle-même une combinaison de sondes à balayage traditionnellement utilisées pour prendre des photos d’atomes amorphes et d’imagerie par rayons X synchrotron, qui utilise une forme de rayonnement beaucoup plus brillante qui peut être suffisamment contrôlée pour prendre des images par rayons X au niveau atomique. niveau.

La microscopie à effet tunnel peut prendre des images incroyablement microscopiques en rapprochant incroyablement la pointe d’un instrument de la surface d’un objet – à quelques nanomètres de distance – et en utilisant un courant électrique pour agiter les atomes de sa cible. Bien qu’il soit excellent pour générer des bosses et des formes d’onde nanoscopiques, il n’y a aucun moyen d’obtenir une identification réelle des atomes scannés.

Entrez le rayonnement synchrotron, qui peut être suffisamment puissant pour pénétrer profondément dans la matière et étudier des caractéristiques telles que des liaisons moléculaires ou des atomes individuels.

Combinez votre microscope à tunnel à balayage et le rayonnement synchrotron, et vous êtes capable d’imager des atomes via la “photoabsorption d’électrons au niveau du noyau”, ce qui, selon les chercheurs, signifie qu’ils peuvent capturer les empreintes digitales élémentaires d’un atome individuel. Dans ce cas, un atome de fer a été utilisé pour l’expérience.

“L’utilisation des rayons X pour détecter et caractériser des atomes individuels pourrait révolutionner la recherche et donner naissance à de nouvelles technologies dans des domaines tels que l’information quantique et la détection d’oligo-éléments dans la recherche environnementale et médicale”, a déclaré Tolulope Michael Ajayi, doctorante à l’Université de l’Ohio. auteur sur l’étude.

Une réalisation en terre rare

Afin de capturer l’image, l’équipe a dû créer une supramolécule composée d’un seul atome de fer et de plusieurs atomes de terbium. En plus de capturer l’image du fer, l’équipe de Hla était également à l’affût de la façon dont différents environnements affectent les atomes de terres rares uniques, comme le terbium.

Un diagramme affichant les rayons X de la supramolécule : les rayons X sont projetés sur la molécule et l’agitation des électrons provoque des effets tunnel détectés par la pointe pour identifier la molécule spécifique

“En comparant les états chimiques d’un atome de fer et d’un atome de terbium à l’intérieur des hôtes moléculaires respectifs, nous constatons que l’atome de terbium, un métal de terre rare, est plutôt isolé et ne change pas d’état chimique alors que l’atome de fer interagit fortement avec son environnante », a déclaré Hla.

Cela signifie que l’équipe a essentiellement compris comment identifier non seulement les éléments individuels au niveau atomique, mais également leurs états chimiques. Ils ont également découvert un moyen d’appliquer leur technologie à une nouvelle technique appelée “effet tunnel de résonance excité par rayons X”, qui, selon eux, permet de détecter l’orientation orbitale d’une seule molécule à la surface d’un matériau.

Hla a déclaré que cette découverte pourrait permettre aux futurs chercheurs d’expérimenter les “propriétés quantiques et de spin (magnétique) d’un seul atome à l’aide de rayons X synchrotron”. À l’avenir, l’équipe prévoit d’examiner d’autres moyens d’appliquer la technologie à des domaines tels que la recherche sur la collecte de matériaux critiques et d’autres avancées atomiques. ®