Depuis la découverte des rayons X par Wilhelm Röntgen en 1895, leur utilisation est omniprésente, des applications médicales et environnementales aux sciences des matériaux. La caractérisation par rayons X nécessite un grand nombre d’atomes et la réduction de la quantité de matière est un objectif de longue date. Le chercheur du Laboratoire national d’Argonne, Saw Wai Hla, et ses collègues montrent maintenant que les rayons X peuvent être utilisés pour caractériser l’état élémentaire et chimique d’un seul atome.
Lorsque les rayons X (couleur bleue) éclairent un atome de fer (Fe) (boule rouge au centre de la molécule), les électrons du niveau central sont excités. Les électrons excités par les rayons X sont ensuite tunnelisés vers la pointe du détecteur (gris) via des orbitales atomiques/moléculaires qui se chevauchent, qui fournissent des informations élémentaires et chimiques sur l’atome de fer. Crédit image : Ajayi et al., doi : 10.1038/s41586-023-06011-w.
“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”, a déclaré le Dr Hla, qui est également directeur du Nanoscale and Quantum Phenomena Institute de l’Université de l’Ohio.
“Nous pouvons désormais détecter exactement le type d’un atome particulier, un atome à la fois, et mesurer simultanément son état chimique.”
Le Dr Hla et ses co-auteurs ont mené leur expérience sur la ligne de lumière XTIP de l’Advanced Photon Source et du Center for Nanoscale Materials du Laboratoire national d’Argonne.
Pour la démonstration, ils ont choisi un atome de fer et un atome de terbium, tous deux insérés dans des hôtes moléculaires respectifs.
Pour détecter le signal de rayons X d’un atome, ils ont utilisé une technique connue sous le nom de microscopie à effet tunnel à balayage de rayons X synchrotron.
“La caractérisation des matériaux par rayons X a été révolutionnée après l’invention des rayons X synchrotron au milieu du XXe siècle”, ont-ils déclaré.
“Les capacités des sources de lumière synchrotron ont été continuellement améliorées pour améliorer la résolution et la quantité minimale d’échantillons requise pour les mesures.”
“Jusqu’à présent, une quantité d’échantillon d’atogramme peut être détectée par rayons X. Cependant, il est toujours de l’ordre de plus de 10 000 atomes et l’accès à un échantillon beaucoup plus petit devient extrêmement ardu.
“Si les rayons X pouvaient être utilisés pour détecter un seul atome, cela révolutionnerait davantage leurs applications à un niveau sans précédent, de la technologie de l’information quantique à la recherche environnementale et médicale.”
“Une façon de surmonter ces défis consiste à remplacer les détecteurs conventionnels par un détecteur spécialisé constitué d’une pointe métallique pointue positionnée à une extrême proximité de l’échantillon pour collecter des électrons excités par les rayons X, une technique connue sous le nom de microscopie à effet tunnel à balayage de rayons X synchrotron ( SX-STM).
Une image d’une supramolécule en forme d’anneau (à gauche) où un seul atome de fer est présent dans tout l’anneau ; et signature aux rayons X d’un seul atome de fer (à droite). Crédit image : Ajayi et al., doi : 10.1038/s41586-023-06011-w.
La spectroscopie à rayons X dans SX-STM est déclenchée par la photoabsorption d’électrons au niveau du noyau, qui constitue des empreintes digitales élémentaires et est efficace pour identifier directement le type élémentaire des matériaux.
“Les spectres sont comme des empreintes digitales, chacun étant unique et capable de détecter exactement ce que c’est”, a déclaré le Dr Hla.
“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 ajouté Tolulope Michael Ajayi, également du Laboratoire national d’Argonne et de l’Université de l’Ohio.
« 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 l’instrumentation avancée de la science des matériaux.
En plus d’obtenir la signature aux rayons X d’un atome, l’objectif principal de l’équipe était d’utiliser cette technique pour étudier l’effet environnemental sur un seul atome de terre rare.
“Nous avons également détecté les états chimiques d’atomes individuels”, a déclaré le Dr Hla.
“En comparant les états chimiques d’un atome de fer et d’un atome de terbium à l’intérieur d’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 environnant.”
Le travail de l’équipe apparaît dans le journal Nature.
