Les rayons X synchrotron imagent un seul atome – Physics World

Les rayons X synchrotron imagent un seul atome – Physics World

Horodatage: 3 juillet 2023 5:00

lorsque les rayons X éclairent un atome (boule rouge au centre de la molécule), les électrons du niveau central sont excités. Les électrons excités par les rayons X se dirigent ensuite vers la pointe du détecteur via des orbitales atomiques/moléculaires qui se chevauchent, qui fournissent des informations élémentaires et chimiques sur l'atome.
Mécanisme de rayons X à un seul atome Lorsque les rayons X éclairent un atome (boule rouge au centre de la molécule), les électrons du niveau central sont excités. Les électrons excités par les rayons X se dirigent ensuite vers la pointe du détecteur via des orbitales atomiques/moléculaires qui se chevauchent, qui fournissent des informations élémentaires et chimiques sur l'atome. (Autorisation : Saw-Wai Hla)

La résolution de la microscopie à effet tunnel à balayage synchrotron à rayons X a atteint pour la première fois la limite d'un seul atome, grâce à de nouveaux travaux menés par des chercheurs de Argonne National Laboratory aux Etats-Unis. Ces progrès auront des implications importantes dans de nombreux domaines scientifiques, notamment la recherche médicale et environnementale.

"L'une des applications les plus importantes des rayons X est la caractérisation des matériaux", explique le co-responsable de l'étude Vu Wai Hla, physicien d'Argonne et professeur à Université de l'Ohio. "Depuis leur découverte il y a 128 ans par Roentgen, c'est la première fois qu'ils peuvent être utilisés pour caractériser des échantillons à la limite ultime d'un seul atome."

Jusqu’à présent, la plus petite taille d’échantillon pouvant être analysée était un attogramme, soit environ 10,000 XNUMX atomes. En effet, le signal de rayons X produit par un seul atome est extrêmement faible et les détecteurs conventionnels ne sont pas suffisamment sensibles pour le détecter.

Des électrons passionnants au niveau du noyau

Dans leurs travaux, que les chercheurs détaillent dans Nature, ils ont ajouté une pointe métallique pointue à un détecteur de rayons X conventionnel pour détecter les électrons excités par les rayons X dans des échantillons contenant des atomes de fer ou de terbium. La pointe est placée à seulement 1 nm au-dessus de l’échantillon et les électrons excités sont des électrons au niveau du noyau – essentiellement des « empreintes digitales » uniques à chaque élément. Cette technique est connue sous le nom de microscopie à effet tunnel à rayons X synchrotron (SX-STM).

Saw Wai Hla et Tolulope M. Ajayi,
En laboratoire : Saw Wai Hla (à droite) et Tolulope M. Ajayi, premier auteur de l’étude. (Avec l'aimable autorisation du Laboratoire National d'Argonne)

SX-STM combine la résolution spatiale ultra-élevée de la microscopie à effet tunnel avec la sensibilité chimique fournie par l'éclairage aux rayons X. Lorsque la pointe pointue se déplace sur la surface d’un échantillon, les électrons traversent l’espace entre la pointe et l’échantillon, créant ainsi un courant. La pointe détecte ce courant et le microscope le transforme en une image qui renseigne sur l'atome situé sous la pointe.

"Le type élémentaire, l'état chimique et même les signatures magnétiques sont codés dans le même signal", explique Hla, "donc si nous pouvons enregistrer la signature radiologique d'un atome, il est possible d'extraire cette information directement."

Être capable d'étudier un atome individuel et ses propriétés chimiques permettra de concevoir des matériaux avancés dotés de propriétés adaptées à des applications spécifiques, ajoute le co-responsable de l'étude. Volker Rose. « Dans nos travaux, nous avons examiné des molécules contenant du terbium, qui appartient à la famille des éléments des terres rares, utilisées dans des applications telles que les moteurs électriques des véhicules hybrides et électriques, les disques durs, les aimants hautes performances, les éoliennes, l'électronique imprimable. et des catalyseurs. La technique SX-STM offre désormais une possibilité d’explorer ces éléments sans avoir besoin d’analyser de grandes quantités de matière.

Dans la recherche environnementale, il sera désormais possible de retracer des matières potentiellement toxiques jusqu'à des niveaux extrêmement faibles, ajoute Hla. "Il en va de même pour la recherche médicale, où des biomolécules responsables de maladies pourraient être détectées à la limite atomique", explique-t-il. Monde de la physique.

L’équipe affirme vouloir désormais explorer les propriétés magnétiques des atomes individuels pour des applications spintroniques et quantiques. "Cela aura un impact sur plusieurs domaines de recherche, de la mémoire magnétique utilisée dans les dispositifs de stockage de données à la détection quantique et à l'informatique quantique pour n'en citer que quelques-uns", explique Hla.

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