Une nouvelle capacité d’analyse des atomes uniques combine les faisceaux de rayons X de l’Advanced Photon Source d’Argonne et l’imagerie à l’échelle atomique possible avec une sonde de microscopie à effet tunnel. Crédit : Argonne National Laboratory
Cette nouvelle capacité d’analyse des rayons X pourrait trouver une large application dans la recherche environnementale et médicale, ainsi que dans le développement de batteries et de dispositifs microélectroniques.
Des scientifiques du laboratoire national d’Argonne et de plusieurs universités ont utilisé avec succès des faisceaux de rayons X pour analyser un seul atome, marquant ainsi une avancée décisive dans la technologie des rayons X. Ce bond en avant pourrait révolutionner de nombreux domaines scientifiques, y compris la technologie quantique et les dispositifs microélectroniques. Ce bond en avant pourrait révolutionner de nombreux domaines scientifiques, notamment la technologie quantique et la recherche médicale, et conduire au développement de nouvelles technologies.
Dans les installations à rayons X les plus puissantes du monde, les scientifiques peuvent analyser des échantillons si petits qu’ils ne contiennent que 10 000 atomes. Il s’est avéré extrêmement difficile d’obtenir des tailles plus petites, mais une équipe multi-institutionnelle a réussi à descendre jusqu’à un seul atome.
« Les faisceaux de rayons X sont utilisés partout, notamment pour les contrôles de sécurité, l’imagerie médicale et la recherche fondamentale », explique Saw Wai Hla, physicien au laboratoire national d’Argonne (ANL) du ministère américain de l’énergie (DOE) et professeur à l’université de l’Ohio. « Mais depuis la découverte des rayons X en 1895, les scientifiques n’ont pas été en mesure de détecter et d’analyser un seul atome. Cela fait des décennies que les scientifiques rêvent de pouvoir le faire. Aujourd’hui, c’est chose faite.
Gauche : Image d’un hôte moléculaire en forme d’anneau contenant un seul atome de fer. A droite : Spectre d’absorption des rayons X de l’atome unique détecté à l’emplacement B de l’anneau moléculaire. Le spectre correspond à celui du fer. Crédit : Argonne National Laboratory
Comme vient de l’annoncer la revue Nature, des scientifiques d’Argonne et de plusieurs universités ont déclaré être en mesure de caractériser le type d’élément et les propriétés chimiques d’un seul atome à l’aide de faisceaux de rayons X. Cette nouvelle capacité aura une incidence sur la recherche fondamentale dans de nombreuses disciplines et sur le développement de nouvelles technologies. Cette nouvelle capacité aura un impact sur la recherche fondamentale dans de nombreuses disciplines scientifiques et sur le développement de nouvelles technologies.
Les résultats des faisceaux de rayons X constituent une sorte d’empreinte digitale du type d’éléments présents dans un matériau. Par exemple, le rover Curiosity de la NASA a recueilli de petits échantillons de sable à la surface de Mars, puis a déterminé, grâce à l’analyse aux rayons X, que leur contenu était similaire au sol volcanique d’Hawaï.
« La possibilité d’étudier un atome à la fois va révolutionner les applications des rayons X à un niveau sans précédent, de la technologie de l’information quantique à la recherche environnementale et médicale. » – Saw Wai Hla, physicien à Argonne et professeur à l’université de l’Ohio.
Grâce à de puissantes machines à rayons X appelées sources de lumière synchrotron, les scientifiques peuvent analyser des échantillons aussi petits qu’un milliardième de milliardième de gramme. Ces échantillons contiennent environ 10 000 atomes. Il s’est avéré extrêmement difficile d’obtenir des tailles plus petites, mais l’équipe a réussi à réduire ses observations à un seul atome, ce qui est tout à fait surprenant.
Le mot « transformation » est souvent utilisé, mais je pense que cette découverte constitue vraiment une avancée majeure », a déclaré M. Hla. « J’étais tellement excité que j’avais du mal à dormir tant j’imaginais les utilisations possibles dans le développement de batteries et de dispositifs microélectroniques, et même dans la recherche environnementale et médicale.
Pour caractériser un seul atome avec des rayons X, il faut l’isoler du même type d’atomes. Pour ce faire, l’équipe a d’abord enchevêtré un seul atome de fer dans une molécule de taille nanométrique composée de différents éléments.
L’échantillon a ensuite été analysé à l’aide du puissant faisceau de rayons X de la source de lumière d’Argonne, l’Advanced Photon Source (APS). L’équipe a détecté l’atome unique dans l’échantillon sur une ligne de faisceau (XTIP) partagée par l’APS et le Center for Nanoscale Materials (CNM). Tous deux sont des installations d’utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne. La ligne de faisceau comprend une sonde de microscopie à effet tunnel (STM).
« Une bourse du DOE Early Career Research Program Award que j’ai reçue en 2012 m’a permis de former une équipe de scientifiques et d’ingénieurs passionnés pour développer la technique de microscopie utilisée dans cette étude », a déclaré Volker Rose, physicien à l’APS et au CNM. « Ensemble, nous avons développé et construit ce microscope unique en son genre sur la ligne de faisceau XTIP grâce à un financement supplémentaire du DOE. »
Les photons des faisceaux de rayons X bombardent l’échantillon, provoquant la libération d’électrons. Positionnée à moins d’un nanomètre au-dessus de la surface de l’échantillon, la sonde STM recueille le signal électrique dû aux électrons émis. Les spectres qui en résultent (tracés du courant en fonction de l’énergie des photons) sont les « empreintes digitales » des éléments du tableau périodique. Chaque élément possède une empreinte unique. En sondant la surface de l’échantillon, les scientifiques peuvent ainsi identifier un élément d’un atome particulier et son emplacement exact.
Mais ce n’est pas tout. Ils peuvent également déterminer l’état chimique de l’atome à partir du même spectre. L’état chimique est lié au fait que les atomes peuvent perdre un certain nombre d’électrons ; par exemple, le fer peut perdre deux, trois ou quatre électrons. L’état chimique reflète le nombre d’électrons manquants et il est important pour les scientifiques de le connaître car il affecte les propriétés physiques, chimiques et électroniques de l’atome.
Pour prouver l’applicabilité plus large de cette nouvelle capacité, l’équipe a répété avec succès la même analyse aux rayons X avec le terbium, un élément de terre rare. Les terres rares sont essentielles pour la microélectronique, les batteries, les structures aéronautiques, etc. La technique est également applicable à d’autres éléments que les métaux. En connaissant les propriétés des atomes individuels, les scientifiques peuvent ensuite exploiter leurs utilisations dans les matériaux de façon nouvelle.
« La possibilité d’étudier un atome à la fois va révolutionner les applications des rayons X à un niveau sans précédent, de la technologie de l’information quantique à la recherche environnementale et médicale », a déclaré M. Hla.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Capture du tout premier rayon X d’un seul atome.
Référence : « Characterization of just one atom using synchrotron X-rays » par Tolulope M. Ajayi, Nozomi Shirato, Tomas Rojas, Sarah Wieghold, Xinyue Cheng, Kyaw Zin Latt, Daniel J. Trainer, Naveen K. Dandu, Yiming Li, Sineth Premarathna, Sanjoy Sarkar, Daniel Rosenmann, Yuzi Liu, Nathalie Kyritsakas, Shaoze Wang, Eric Masson, Volker Rose, Xiaopeng Li, Anh T. Ngo et Saw-Wai Hla, 31 mai 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w
Outre Hla et Rose, les autres auteurs argonnais de l’article de Nature sont Tolulope M. Ajayi, Nozomi Shirato, Tomas Rojas, Sarah Wieghold, Kyaw Zin Latt, Daniel J. Trainer, Naveen K. Dandu, Sineth Premarathna, Daniel Rosenmann, Yuzi Liu et Anh T. Ngo. Les contributeurs de l’Université de l’Ohio sont Xinyue Cheng, Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang et Eric Masson. Les autres contributeurs sont Xiaopeng Li, Université de Shenzhen, Yiming Li, Université de Floride du Sud, et Nathalie Kyritsakas, Université de Strasbourg.
Cette recherche a été financée par le DOE Office of Basic Energy Sciences. Les ressources informatiques ont été fournies par le Laboratory Computing Resource Center d’Argonne.