Les rayons X sont utilisés aujourd’hui dans de multiples domaines. Ils sont notamment utilisés pour identifier les matériaux composant un échantillon de manière non invasive. Ceci nécessite toutefois de disposer d’une quantité suffisante de matériaux, bien que celle-ci ait déjà été largement réduite au fil du temps. Pour la première fois, des chercheurs sont parvenus à radiographier un seul atome, ce qui pourrait révolutionner la manière dont les scientifiques analysent les matériaux.
Depuis la découverte des rayons X par Wilhelm Röntgen en 1895 — découverte qui lui a valu le premier prix Nobel de physique de l’histoire — leur utilisation est omniprésente, de l’imagerie médicale à l’astrophysique, en passant par la cristallographie. Même le rover Curiosity est équipé d’un appareil à rayons X pour examiner la composition des roches martiennes. Les rayons X sont capables de traverser la matière en étant partiellement absorbés en fonction de la densité de celle-ci et de l’énergie du rayonnement ; c’est ce qui permet de caractériser l’intérieur des objets qu’ils traversent.
La caractérisation par rayons X nécessite un grand nombre d’atomes et les scientifiques tentent de réduire cette quantité, afin d’accéder à une technique d’analyse toujours plus précise. Celle-ci a d’ores et déjà été considérablement réduite grâce au développement des sources de rayons X synchrotron et d’instruments plus sophistiqués. À ce jour, la plus petite quantité d’un échantillon qu’il est possible de radiographier est de l’ordre de l’attogramme (10-18 gramme), ce qui correspond à environ 10 000 atomes ou plus. Une équipe de chercheurs annonce avoir réussi, pour la première fois, à radiographier un seul et unique atome.
Caractériser l’état élémentaire et chimique d’un seul atome
Il est d’ores et déjà possible d’imager les atomes individuels à l’aide de microscopes à sonde locale — une technique qui permet de cartographier le relief en balayant la surface à imager à l’aide d’une pointe très fine. Les rayons X permettent d’aller encore plus loin, en identifiant le type d’atome et son état chimique. « 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 », a déclaré Saw Wai Hla, professeur de physique à l’Université de l’Ohio et chercheur au laboratoire national d’Argonne, qui a dirigé l’étude.
Cet exploit n’a pu être réalisé avec un détecteur de rayons X conventionnel : le signal produit par un unique atome est bien trop faible. Pour parvenir à ses fins, l’équipe a utilisé un instrument à rayons X synchrotron spécialement conçu à cet effet, sur la ligne de faisceau XTIP du laboratoire national d’Argonne — la première ligne de faisceau au monde dédiée à la technique de microscopie à effet tunnel à balayage de rayons X synchrotron (SX-STM). Il a fallu 12 ans à Hla et ses collaborateurs pour mettre au point cet instrument.
Dans le cadre de leurs expérimentations, les chercheurs ont choisi un atome de fer et un atome de terbium, tous deux insérés dans des hôtes moléculaires respectifs. Les électrons excités par les rayons X ont été collectés au moyen d’un détecteur constitué d’une pointe métallique acérée, positionnée au plus proche de l’échantillon. Les spectres d’absorption des rayons X obtenus constituent des empreintes élémentaires uniques et permettent d’identifier directement le type d’élément des matériaux.
L’équipe souligne que le signal de rayons X ne peut être détecté que lorsque la pointe est située directement au-dessus de l’atome, à proximité extrême, ce qui confirme la détection localisée au niveau atomique dans le régime de l’effet tunnel. « Notre travail relie les rayons X synchrotron à un processus d’effet tunnel quantique et ouvre la voie à de futures expériences de rayons X pour la caractérisation simultanée des propriétés élémentaires et chimiques des matériaux à la limite ultime de l’atome unique », résument les chercheurs dans Nature.
Examiner les effets de l’environnement sur chaque atome
La radiographie à l’échelle de l’atome individuel permet de mieux comprendre les propriétés physiques et chimiques des matériaux. Mais l’équipe souhaitait également utiliser cette technique pour étudier l’effet de l’environnement sur un seul atome de terre rare — les terres rares étant utilisées aujourd’hui dans un grand nombre de technologies modernes (téléphones portables, ordinateurs, téléviseurs, etc.), de par leurs propriétés électroniques et magnétiques uniques.
« 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, alors que l’atome de fer interagit fortement avec son environnement », rapporte Hla.
L’équipe a également mis au point une méthode, nommée « X-ray excited resonance tunneling » ou X-ERT, qui permet de détecter à l’aide de rayons X synchrotron comment les orbitales d’une seule molécule s’orientent à la surface d’un matériau. Pour rappel, une orbitale atomique est une fonction qui représente la probabilité de présence d’un électron d’un atome dans une zone donnée ; les orbitales moléculaires résultent des interactions entre les orbitales atomiques. Connaître l’orientation des orbitales permet de prédire le comportement des électrons dans la matière.
En identifiant le type d’élément et son état chimique, les scientifiques pourront potentiellement manipuler les atomes à l’intérieur des différents matériaux afin de mieux répondre aux besoins de l’industrie technologique, qui évoluent constamment. « 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 », conclut Tolulope Michael Ajayi, premier auteur de l’étude.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et
les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants
principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]