L’IRM est une technique d’imagerie largement utilisée en médecine pour caractériser la structure des différents tissus et éléments du corps. Cependant, il est possible de l’employer dans le but d’observer des structures bien plus petites que le corps humain. Des chercheurs ont ainsi miniaturisé une IRM de telle manière à pouvoir directement observer le champ magnétique d’atomes individuels. Une avancée qui devrait aider au développement des futurs ordinateurs quantiques.

En utilisant une nouvelle technique, des physiciens ont développé la plus petite IRM au monde afin de capturer les champs magnétiques d’atomes individuels. Une prouesse scientifique spectaculaire qui pourrait accélérer le développement de nanostructures quantiques, ainsi qu’améliorer notre compréhension de l’Univers à l’échelle subatomique. L’étude a été publiée dans la revue Nature Physics.

« Je suis très heureux de ces résultats » déclare le physicien Andreas Heinrich, de l’Institut des sciences fondamentales à Séoul. « Il s’agit certainement d’une étape importante dans notre domaine, et elle a des implications très prometteuses pour les recherches futures ».

Une IRM microscopique pour observer le champ magnétique des atomes

En médecine, un appareil IRM utilise des aimants très puissants pour induire un intense champ magnétique autour du corps, forçant le spin des protons dans les noyaux des atomes d’hydrogène du corps à s’aligner sur le champ magnétique, sans produire d’effets secondaires. Un courant de radiofréquence est ensuite appliqué pour stimuler les protons. Lorsque cette fonction est désactivée, les capteurs peuvent détecter l’énergie libérée par les protons lors de leur détente dans l’alignement du champ magnétique, et traduire ce signal en une image.

interaction atome microscope

L’interaction entre la pointe du microscope à effet tunnel (composée d’atomes de fer magnétisés) et les atomes de l’échantillon permet de révéler le champ magnétique de ces derniers. Crédits : IBM Research

Mais pour les scanners IRM médicaux, il faut que cela se produise en masse, avec des milliards de protons, pour que les capteurs le détectent. Pour réduire le processus à des échelles beaucoup plus fines, les chercheurs ont utilisé un microscope à effet tunnel. Cela a été utilisé pour sonder des atomes de titane et de fer soigneusement préparés.

Avec un petit groupe d’atomes de fer magnétisés attachés à la pointe, le microscope devint un minuscule appareil IRM alignant les électrons — plutôt que les protons — dans l’échantillon.

Il leur suffisait ensuite d’ajouter des impulsions de courant radiofréquence, ce qui permettait aux capteurs de détecter l’énergie libérée par les électrons, produisant une image du champ magnétique d’un seul atome de titane ou de fer.

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atome champ magnetique

La zone brillante en périphérie de l’atome correspond au champ magnétique de ce dernier, résultant de l’interaction entre l’atome et la pointe de l’IRM. Crédits : Wilke et al. 2019

« 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 » explique le physicien Philip Wilke de l’Institute for Basic Sciences. « Par exemple, le signal que nous voyons pour les atomes de fer est très différent de celui pour les atomes de titane. Cela nous permet de distinguer différents types d’atomes par leur signature de champ magnétique, ce qui rend notre technique très puissante ».

Une nouvelle technique ouvrant la voie au contrôle des systèmes quantiques

Outre cette capacité à identifier l’élément à partir d’un atome, la technique est si sensible qu’elle permet également de distinguer les atomes proches les uns des autres. « C’est une combinaison vraiment magnifique de technologies d’imagerie » affirme le physicien Ahmed Duke Shereen du centre de recherche scientifique avancée de New York. « L’IRM médicale peut très bien caractériser les échantillons, mais pas à cette petite échelle ».

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atome position champ magnetique

La zone brillante est le champ magnétique de l’atome révélé par le microscope à effet tunnel. Cette technologie devrait aider au contrôle des futurs systèmes quantiques. Crédits : Wilke et al. 2019

Pour de telles technologies miniaturisées, l’équipe a de très grands projets. Les chercheurs pensent que cela sera extrêmement utile pour cartographier les propriétés magnétiques et de spin non seulement d’atomes individuels, mais également de structures plus grandes, telles que des molécules. La technologie pourrait également être utilisée pour caractériser et contrôler les systèmes quantiques comme les ordinateurs quantiques.

« La possibilité de cartographier les spins et leurs champs magnétiques avec une précision auparavant inimaginable nous permet d’approfondir nos connaissances sur la structure de la matière, et ouvre de nouveaux champs de recherche fondamentale » conclut Heinrich.

Sources : Nature Physics

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