Les scientifiques prennent le premier X du monde

Saw-Wai Hla/Nature

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La première radiographie au monde d'un seul atome est ici, et comment.

Une nouvelle étude menée par des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne de l'Université de l'Ohio et de l'Université de l'Illinois à Chicago a révélé l'image époustouflante des propriétés d'un seul atome, en utilisant uniquement la technique des rayons X, selon un communiqué de presse.

Depuis que les rayons X ont été découverts à la fin des années 1800, ils ont été un outil essentiel dans de nombreux domaines. Leur capacité à pénétrer la matière les rend très utiles à des fins d'imagerie en médecine, en recherche sur les matériaux, en archéologie et en astrophysique. Les rayons X sont un type de rayonnement électromagnétique à très haute énergie et à courte longueur d'onde.

Cependant, les techniques traditionnelles de détection des rayons X reposent sur l'interaction des rayons X avec de nombreux atomes dans un échantillon pour générer un signal détectable. En effet, le signal produit par un seul atome est faible et difficile à distinguer du bruit de fond.

La référence précédente pour la plus petite quantité pouvant être radiographiée était de 10 000 atomes, et en comparaison, cette réalisation est révolutionnaire. Cela pourrait potentiellement révolutionner la façon dont les scientifiques et les chercheurs détectent les matériaux.

L'équipe a choisi un atome de fer et un atome de terbium pour prendre la radiographie mono-atome.

Les détecteurs de rayons X conventionnels ont été modifiés à l'aide d'une pointe métallique pointue, en combinaison avec une microscopie à effet tunnel à balayage de rayons X synchrotron (SX-STEM), principalement utilisée pour l'imagerie à l'échelle nanométrique et la caractérisation des matériaux, pour détecter les électrons excités par les rayons X de les atomes individuels.

En termes simples, SX-STM permet aux scientifiques d'utiliser les rayons X pour voir les éléments d'un matériau et comprendre sa composition chimique. Cela se fait en excitant (ou en donnant de l'énergie) aux électrons dans le noyau d'un atome. Lorsque ces électrons absorbent les rayons X et s'excitent, ils produisent une empreinte digitale unique. Cette empreinte digitale, appelée spectre d'absorption, aide les scientifiques à identifier le type d'éléments présents dans le matériau étudié.

L'équipe a découvert que les spectres d'absorption des rayons X révélaient des empreintes digitales uniques correspondant aux atomes de fer et de terbium.

L'équipe a également utilisé l'effet tunnel de résonance excité par les rayons X (X-ERT) pour caractériser les états chimiques des atomes. Ils ont découvert que le X-ERT pour l'atome de fer était dominant, révélant des informations sur la réactivité et les interactions de l'atome.

Fait intéressant, les chercheurs ont remarqué que le signal de rayons X ne pouvait être détecté que lorsque la pointe spécialisée était placée à une extrême proximité de l'atome. Cela a confirmé que la détection était hautement localisée et concentrée sur l'atome d'intérêt, permettant une caractérisation et une analyse détaillées des propriétés et du comportement de l'atome.

"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. ", a déclaré le professeur Saw Wai Hla, le chercheur principal, dans un communiqué de presse.

Leurs recherches ont été publiées dans la revue Nature.

Résumé de l'étude :

Depuis la découverte des rayons X par Roentgen en 1895, son 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. Ici, nous montrons que les rayons X peuvent être utilisés pour caractériser l'état élémentaire et chimique d'un seul atome. En utilisant une pointe spécialisée comme détecteur, les courants excités par les rayons X générés par un atome de fer et un atome de terbium coordonnés à des ligands organiques sont détectés. Les empreintes digitales d'un seul atome, les signaux de bord d'absorption L2,3 et M4,5 pour le fer et le terbium, respectivement, sont clairement observés dans les spectres d'absorption des rayons X. Les états chimiques de ces atomes sont caractérisés au moyen de signaux d'absorption des rayons X proches du bord, dans lesquels l'effet tunnel de résonance excité par les rayons X (X-ERT) est dominant pour l'atome de fer. 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 atomiquement localisée dans le régime de tunnel. Notre travail relie les rayons X synchrotron à un processus d'effet tunnel quantique et ouvre 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.