Des physiciens utilisent l’IRM pour scanner des atomes individuels

Une équipe de physiciens expérimentaux de l’Institut des sciences fondamentales, de l’Université Ewha Womans et du Centre de recherche IBM Almaden a réalisé la plus petite imagerie par résonance magnétique (IRM) au monde pour visualiser le champ magnétique d’atomes uniques. Les résultats sont publiés dans la revue Nature Physics.

Des atomes magnétiques uniques sont déposés sur une surface d’oxyde de magnésium ; ils sont imagés par la pointe magnétique d’un microscope à effet tunnel qui permet aux chercheurs d’effectuer un balayage IRM du champ magnétique de l’atome. Crédit image : Willke et al.

“Une IRM est couramment pratiquée dans les hôpitaux de nos jours dans le cadre de l’imagerie pour le diagnostic”, a déclaré le Dr Philip Willke, premier auteur de l’étude.

“L’IRM détecte la densité des spins – les aimants fondamentaux des électrons et des protons – dans le corps humain. Traditionnellement, des milliards et des milliards de spins sont nécessaires pour un examen IRM.”

“Nous montrons que ce processus est également possible pour un atome individuel sur une surface.”

Le Dr Willke et ses collègues ont combiné la microscopie à effet tunnel avec la résonance de spin électronique pour effectuer des scans IRM sur des centres de spin à un seul atome.

“Nous avons utilisé un microscope à effet tunnel à balayage, qui consiste en une pointe métallique atomiquement pointue permettant aux chercheurs d’imager et de sonder des atomes uniques en balayant la pointe sur la surface”, ont-ils expliqué.

“Les deux éléments étudiés dans ce travail, le fer et le titane, sont tous deux magnétiques. Grâce à une préparation précise de l’échantillon, les atomes étaient facilement visibles au microscope.”

Scans IRM au sommet d’un atome de titane pris à différentes énergies ; les zones claires marquent les positions où le champ magnétique de l’atome est le même. Crédit image : Willke et al.

Les physiciens ont utilisé la pointe du microscope comme une machine IRM pour cartographier le champ magnétique 3D créé par les atomes avec une résolution sans précédent.

“Pour ce faire, nous avons attaché un autre amas de spin à la pointe métallique pointue de leur microscope”, ont-ils déclaré.

“Comme les aimants de tous les jours, les deux spins s’attireraient ou se repousseraient en fonction de leur position relative”.

En balayant le cluster de spins de la pointe sur l’atome de la surface, les chercheurs ont pu cartographier l’interaction magnétique.

“Il s’avère que l’interaction magnétique que nous avons mesurée dépend des propriétés des deux spins, celui de la pointe et celui de l’échantillon”, a déclaré le Dr Willke.

“Par exemple, le signal que nous voyons pour les atomes de fer est très différent de celui des atomes de titane. Cela nous permet de distinguer différents types d’atomes par leur signature du champ magnétique et rend notre technique très puissante.”

L’équipe prévoit maintenant d’utiliser l’IRM à un seul atome pour cartographier la distribution du spin dans des structures plus complexes telles que les molécules et les matériaux magnétiques.