Lorsque les rayons X (couleur bleue) illuminent un atome de fer (boule rouge au centre de la molécule), les électrons du niveau central sont excités. Les électrons excités par les rayons X sont ensuite acheminés vers la pointe du détecteur (en gris) par l’intermédiaire d’orbitales atomiques/moléculaires qui se chevauchent, ce qui permet d’obtenir des informations élémentaires et chimiques sur l’atome de fer. Crédit : Saw-Wai Hla
Pour la première fois, des scientifiques ont réussi à détecter la signature radiographique d’un seul atome. Grâce à une technique pionnière appelée microscopie à effet tunnel à rayons X synchrotron (SX-STM), l’équipe a pu identifier et caractériser des atomes individuels, ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans les domaines de l’environnement, de la médecine et de la recherche quantique.
Une équipe de scientifiques de l’université de l’Ohio, du laboratoire national d’Argonne, de l’université de l’Illinois-Chicago et d’autres, dirigée par Saw Wai Hla, professeur de physique à l’université de l’Ohio et chercheur au laboratoire national d’Argonne, a réalisé le premier SIGNAL (ou SIGNATURE) à rayons X d’un seul atome au monde. Cette réalisation révolutionnaire a été financée par le ministère américain de l’énergie, Office of Basic Energy Sciences, et pourrait révolutionner la manière dont les scientifiques détectent les matériaux.
Depuis leur découverte par Roentgen en 1895, les rayons X sont utilisés partout, des examens médicaux aux contrôles de sécurité dans les aéroports. Même Curiosity, le rover martien de la NASA, est équipé d’un appareil à rayons X pour examiner la composition des roches de Mars. Une utilisation importante des rayons X en science consiste à identifier le type de matériaux contenus dans un échantillon. Au fil des ans, la quantité de matériaux dans un échantillon nécessaire à la détection par rayons X a été considérablement réduite grâce au développement de sources de rayons X synchrotron et de nouveaux instruments. À ce jour, la plus petite quantité de matériaux que l’on peut radiographier dans un échantillon est l’attogramme, c’est-à-dire environ 10 000 atomes ou plus. En effet, le signal de rayons X produit par un atome est extrêmement faible et ne peut donc pas être détecté par les détecteurs de rayons X conventionnels. Selon Hla, les scientifiques rêvent depuis longtemps de radiographier un seul atome, ce que l’équipe de recherche qu’il dirige est en train de réaliser.
(À gauche) Image d’une supramolécule en forme d’anneau où un seul atome de Fe est présent dans l’ensemble de l’anneau. (À droite) Signature aux rayons X d’un seul atome de Fe. Source : Saw-Wai Hla
« Les atomes peuvent être régulièrement imagés à l’aide de microscopes à sonde à balayage, mais sans rayons X, il est impossible de savoir 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 expliqué M. Hla, qui est également directeur de l’Institut des phénomènes nanométriques et quantiques de l’université de l’Ohio. « Une fois que nous serons en mesure de le faire, nous pourrons tracer les matériaux jusqu’à la limite ultime d’un seul atome. Cela aura un impact considérable sur les sciences environnementales et médicales et permettra peut-être même de trouver un remède qui aura un impact énorme sur l’humanité. Cette découverte transformera le monde.
Saw-Wai Hla. Crédit : Université de l’Ohio
Leur article, publié dans la revue scientifique Nature le 31 mai 2023 et en couverture de la version imprimée de la revue scientifique le 1er juin 2023, explique comment Hla et plusieurs autres physiciens et chimistes, dont des doctorants de l’OHIO, ont utilisé un instrument à rayons X synchrotron spécialement conçu à cet effet sur la ligne de faisceau XTIP de l’Advanced Photon Source et du Center for Nanoscale Materials du Laboratoire national d’Argonne.
Pour la démonstration, l’équipe a choisi un atome de fer et un atome de terbium, tous deux insérés dans des hôtes moléculaires respectifs. Pour détecter le signal des rayons X d’un atome, l’équipe de recherche a complété les détecteurs conventionnels de rayons X par un détecteur spécialisé constitué d’une pointe métallique acérée placée à proximité extrême de l’échantillon pour collecter les électrons excités par les rayons X – une technique connue sous le nom de microscopie à effet tunnel à balayage de rayons X synchrotron ou SX-STM. La spectroscopie des rayons X dans la SX-STM est déclenchée par la photo-absorption des électrons de niveau central, qui constituent des empreintes élémentaires et permettent d’identifier directement le type d’élément des matériaux.
Selon Hla, les spectres sont comme des empreintes digitales, chacune étant unique et capable de détecter exactement ce qu’elle est.
« La technique utilisée et le concept démontré dans cette étude ont ouvert une nouvelle voie dans la science des rayons X et les études à l’échelle nanométrique », a déclaré Tolulope Michael Ajayi, premier auteur de l’article, qui a réalisé ce travail dans le cadre de sa thèse de doctorat. « En outre, 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 de traces d’éléments dans la recherche environnementale et médicale, pour n’en citer que quelques-uns. Cette réalisation ouvre également la voie à des instruments avancés pour la science des matériaux ».
Au cours des 12 dernières années, Hla a participé au développement d’un instrument SX-STM et de ses méthodes de mesure en collaboration avec Volker Rose, scientifique à l’Advanced Photon Source de l’Argonne National Laboratory.
« J’ai pu superviser avec succès quatre étudiants diplômés de l’OHIO pour leurs thèses de doctorat liées au développement de la méthode SX-STM sur une période de 12 ans. Nous avons parcouru un long chemin pour parvenir à la détection d’une signature radiographique d’un seul atome », a déclaré M. Hla.
L’étude de Hla est axée sur les nanosciences et les sciences quantiques, avec un accent particulier sur la compréhension des propriétés chimiques et physiques des matériaux au niveau fondamental, c’est-à-dire au niveau de l’atome individuel. Outre la signature radiographique d’un atome, l’objectif principal de l’équipe était d’utiliser cette technique pour étudier l’effet de l’environnement sur un seul atome de terre rare.
« Nous avons également détecté les états chimiques d’atomes individuels », explique Hla. « En comparant les états chimiques d’un atome de fer et d’un atome de terbium à l’intérieur de leurs hôtes moléculaires respectifs, nous avons découvert 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.
De nombreux matériaux à base de terres rares sont utilisés dans des appareils de tous les jours, tels que les téléphones portables, les ordinateurs et les téléviseurs, pour n’en citer que quelques-uns, et sont extrêmement importants pour la création et l’avancement de la technologie. Grâce à cette découverte, les scientifiques peuvent désormais identifier non seulement le type d’élément, mais aussi son état chimique, ce qui leur permettra de mieux manipuler les atomes à l’intérieur des différents matériaux hôtes afin de répondre aux besoins en constante évolution dans divers domaines. En outre, ils ont également mis au point une nouvelle méthode appelée « X-ray excited resonance tunneling ou X-ERT » qui leur permet de détecter comment les orbitales d’une seule molécule s’orientent à la surface d’un matériau à l’aide de rayons X synchrotron.
« Cette réalisation associe les rayons X synchrotron au processus de tunnelisation quantique pour détecter la signature radiographique d’un atome individuel et ouvre de nombreuses directions de recherche passionnantes, notamment la recherche sur les propriétés quantiques et de spin (magnétique) d’un seul atome à l’aide des rayons X synchrotron », a déclaré M. Hla.
Outre Ajayi, plusieurs autres étudiants diplômés de l’OHIO, dont les actuels doctorants Sineth Premarathna en physique et Xinyue Cheng en chimie, ainsi que les anciens doctorants en physique Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas et Anh T. Ngo, actuellement professeur associé de génie chimique à l’université de l’Illinois-Chicago, ont participé à cette recherche. Eric Masson, professeur de chimie et titulaire de la chaire Roenigk du College of Arts and Sciences, a conçu et synthétisé la molécule de terre rare utilisée dans cette étude.
À l’avenir, Hla et son équipe de recherche continueront d’utiliser les rayons X pour détecter les propriétés d’un seul atome et trouveront des moyens de révolutionner davantage leurs applications pour la recherche de matériaux critiques et bien d’autres choses encore.
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