Première radiographie d’un seul atome —

Depuis sa découverte par Roentgen en 1895, les rayons X ont été 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 matériaux des roches de Mars. Une utilisation importante des rayons X en science est d’identifier le type de matériaux 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 des sources de rayons X synchrotron et de nouveaux instruments. À ce jour, la plus petite quantité que l’on peut radiographier d’un échantillon est en attogramme, c’est-à-dire environ 10 000 atomes ou plus. Cela est dû au fait que le signal de rayons X produit par un atome est extrêmement faible, de sorte que les détecteurs de rayons X conventionnels ne peuvent pas être utilisés pour le détecter. Selon Hla, c’est un rêve de longue date des scientifiques de radiographier un seul atome, qui est maintenant réalisé par l’équipe de recherche dirigée par lui.

“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. Nous pouvons maintenant détecter exactement le type d’un atome particulier, un atome à la fois, et nous pouvons simultanément mesurer son état chimique », a expliqué Hla, qui est également directeur du Nanoscale and Quantum Phenomena Institute de l’Université de l’Ohio. “Une fois que nous sommes capables de faire cela, nous pouvons retracer les matériaux jusqu’à la limite ultime d’un seul atome. Cela aura un impact important sur les sciences environnementales et médicales et peut-être même trouver un remède qui peut avoir un impact énorme pour l’humanité. la découverte transformera le monde.”

Leur article, publié dans la revue scientifique Nature le 31 mai 2023, et ornant la couverture de la version imprimée de la revue scientifique du 1er juin 2023, détaille comment Hla et plusieurs autres physiciens et chimistes, dont Ph.D. étudiants de l’OHIO, ont utilisé un instrument à rayons X synchrotron spécialement conçu à la ligne de lumière XTIP d’Advanced Photon Source et au Center for Nanoscale Materials du Argonne National Laboratory.

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 de 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 pointue positionnée à une extrême proximité 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 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.

Selon Hla, les spectres sont comme des empreintes digitales, chacun étant unique et capable de détecter exactement ce dont il s’agit.

“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 déclaré Tolulope Michael Ajayi, qui est le premier auteur de l’article et qui effectue ce travail dans le cadre de son doctorat. thèse. “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 de l’instrumentation avancée 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 avec Volker Rose, scientifique à l’Advanced Photon Source du Laboratoire national d’Argonne.

“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’un seul atome X-ray signature », a déclaré Hla.

L’étude de Hla se concentre sur les nanosciences et les sciences quantiques avec un accent particulier sur la compréhension des propriétés chimiques et physiques des matériaux au niveau fondamental – sur une base d’atomes individuels. 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 expliqué Hla. “En comparant les états chimiques d’un atome de fer et d’un atome de terbium à l’intérieur des 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.”

De nombreux matériaux de terres rares sont utilisés dans les appareils de tous les jours, tels que les téléphones portables, les ordinateurs et les téléviseurs, pour n’en nommer que quelques-uns, et sont extrêmement importants dans la création et l’avancement de la technologie. Grâce à cette découverte, les scientifiques peuvent désormais identifier non seulement le type d’élément, mais également son état chimique, ce qui leur permettra de mieux manipuler les atomes à l’intérieur de différents matériaux hôtes pour répondre aux besoins en constante évolution dans divers domaines. De plus, ils ont également développé une nouvelle méthode appelée “tunnel de résonance excitée par rayons X ou X-ERT” qui leur permet de détecter comment les orbitales d’une seule molécule s’orientent sur une surface matérielle à l’aide de rayons X synchrotron.

« Cette réalisation relie les rayons X synchrotron au processus de tunnel quantique pour détecter la signature des rayons X d’un atome individuel et ouvre de nombreuses directions de recherche passionnantes, notamment la recherche sur les propriétés quantiques et de spin (magnétiques) d’un seul atome à l’aide de rayons X synchrotron. dit Héla.

En plus d’Ajayi, plusieurs autres étudiants diplômés de l’OHIO, dont un doctorat actuel. étudiants Sineth Premarathna en physique et Xinyue Cheng en chimie, ainsi qu’un doctorat. Les anciens élèves en physique Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas et Anh T. Ngo, actuellement professeur agrégé de génie chimique à l’Université de l’Illinois à Chicago, ont participé à cette recherche. Le titulaire de la chaire Roenigk du Collège des arts et des sciences et le professeur de chimie Eric Masson ont 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 une utilisation dans la recherche de matériaux critiques et plus encore.