X d'un seul atome

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Les scientifiques ont mesuré pour la première fois la signature des rayons X d'un seul atome. L'effort a été publié dans Nature et a été rédigé par une équipe multicentrique comprenant des chercheurs de l'Université de l'Ohio, du Laboratoire national d'Argonne, de l'Université de l'Illinois à Chicago et d'autres. L'étude pourrait avoir un impact énorme sur la façon dont les scientifiques détectent la composition chimique des matériaux.

Les rayons X sont utilisés dans une multitude de domaines, de la numérisation des fractures à la détection des risques de sécurité dans les aéroports. Dans la recherche scientifique, les rayons X sont utilisés pour analyser les propriétés des matériaux. Les progrès de l'instrumentation d'analyse, tels que l'avènement du synchrotron à rayons X, ont réduit la taille de l'échantillon nécessaire pour produire une lecture précise. Actuellement, la plus petite quantité d'une substance requise pour l'analyse par rayons X est un attogramme, soit environ 10 000 atomes ou plus. La nouvelle avancée représente un changement radical dans nos capacités de détection.

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Jusqu'à présent, la limite d'attogramme existait en raison de la faiblesse du signal de rayons X produit par des quantités atomiques plus petites. Saw Wai Hla, chercheur au Laboratoire national d'Argonne et professeur de physique à l'Université de l'Ohio, a déclaré que les scientifiques ont depuis longtemps ciblé une technique pour imager un plus petit nombre d'atomes. "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 désormais détecter exactement le type d'un atome particulier, un atome à la fois, et mesurer simultanément son état chimique", a déclaré Hla.

Pour se placer sous cette barrière physique, Hla et son équipe ont utilisé un synchrotron à rayons X sur mesure hébergé au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique du Laboratoire national d'Argonne.

Dans l'article, les chercheurs ont montré leur technique en caractérisant les signaux d'un atome de fer et d'un atome de terbium. Les chercheurs ont ajouté un détecteur spécialisé à l'équipement à rayons X conventionnel. Ce scanner bonus comportait une tige métallique pointue placée immédiatement à côté de l'échantillon. L'extrême proximité de la tige lui a permis d'aspirer les électrons excités produits lors du balayage de l'échantillon. Cette méthode est appelée microscopie à effet tunnel par rayons X synchrotron ou SX-STM. L'énergie émise par les atomes est liée à leurs propriétés physiques fondamentales, ce qui signifie qu'ils représentent des "empreintes digitales" élémentaires uniques, permettant d'identifier l'atome.

"La technique utilisée et le concept éprouvé dans cette étude ont ouvert de nouvelles perspectives dans la science des rayons X et les études à l'échelle nanométrique", a déclaré Tolulope Michael Ajayi, doctorant et premier auteur de l'étude. « Plus encore, 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'éléments traces dans la recherche environnementale et médicale, pour n'en nommer que quelques-uns. Cette réalisation ouvre également la voie à une instrumentation avancée en science des matériaux.

L'équipe a ensuite caractérisé la manière dont les atomes étaient affectés par leur stockage à l'intérieur de différents hôtes moléculaires. "Nous constatons que l'atome de terbium, un métal de terre rare, est plutôt isolé et ne change pas d'état chimique tandis que l'atome de fer interagit fortement avec son environnement", a déclaré Hla.

Les applications de ces nouvelles connaissances couvrent de nombreux domaines. Les métaux de terres rares comme le terbium sont des composants clés des appareils de tous les jours comme les téléviseurs et les téléphones, mais aussi dans les technologies de pointe comme les lasers et les alliages aérospatiaux. Les nouvelles découvertes permettront aux scientifiques travaillant avec ces matériaux de mieux comprendre comment leurs propriétés chimiques sont modifiées par leur environnement, ce qui devrait ouvrir encore plus d'utilisations potentielles pour ces éléments.

De plus, l'équipe a mis au point une nouvelle technique appelée tunnel de résonance excitée par rayons X (X-ERT). Cette méthode permet la détection d'orientations orbitales moléculaires isolées sur une surface de matériau à l'aide de rayons X synchrotron.

« Cette réalisation relie les rayons X synchrotron au processus de tunnel quantique pour détecter la signature des rayons X d'un atome individuel et ouvre de nombreuses directions de recherche passionnantes, notamment la recherche sur les propriétés quantiques et de spin (magnétiques) d'un seul atome à l'aide de rayons X synchrotron », a déclaré Hla.

Hla a conclu : "Cela aura un grand impact sur les sciences environnementales et médicales et peut-être même trouvera-t-il un remède qui peut avoir un impact énorme sur l'humanité. Cette découverte transformera le monde."

Référence : Ajayi TM, Shirato N, Rojas T, et al. Caractérisation d'un seul atome à l'aide de rayons X synchrotron. Nature. 2023;618(7963):69-73. doi:10.1038/s41586-023-06011-w

Cet article est une refonte d'un communiqué de presse publié par l'Université de l'Ohio. Le matériel a été modifié pour la longueur et le contenu.