Les atomes n’ont peut-être pas d’os, mais nous voulons toujours savoir comment ils sont assemblés. Ces minuscules particules sont la base sur laquelle toute matière normale est construite (y compris nos os), et les comprendre nous aide à comprendre l’Univers plus vaste.
Nous utilisons actuellement la lumière à rayons X à haute énergie pour nous aider à comprendre les atomes et les molécules et leur disposition, capturant les faisceaux diffractés pour reconstruire leurs configurations sous forme cristalline.
Maintenant, les scientifiques ont utilisé les rayons X pour caractériser les propriétés d’un seul atome, montrant que cette technique peut être utilisée pour comprendre la matière au niveau de ses plus petits éléments constitutifs.
“Ici”, écrit une équipe internationale dirigée par le physicien Tolulope Ajayi de l’Université de l’Ohio et du Laboratoire national d’Argonne aux États-Unis, “nous montrons que les rayons X peuvent être utilisés pour caractériser l’état élémentaire et chimique d’un seul atome”.
Schéma de l’assemblage supramoléculaire du fer, avec l’atome de fer en rouge et le rubidium en cyan. (Ajayi et al., Nature, 2023)
Les rayons X sont considérés comme une sonde appropriée pour la caractérisation des matériaux au niveau atomique car leur distribution de longueur d’onde est comparable à la taille d’un atome.
Et il existe plusieurs techniques pour lancer des rayons X sur des choses pour voir comment elles sont assemblées à de très petites échelles.
L’un d’eux est les rayons X synchrotron, dans lesquels les rayons X sont accélérés à des énergies élevées afin qu’ils brillent beaucoup plus brillamment.
Pour essayer de résoudre des échelles vraiment fines, Ajayi et ses collègues ont utilisé une technique qui combine les rayons X synchrotron avec une technique de microscopie pour l’imagerie à l’échelle atomique appelée microscopie à effet tunnel. Cela utilise une excellente sonde conductrice à pointe pointue qui interagit avec les électrons du matériau de test dans ce que l’on appelle “l’effet tunnel quantique”.
À des proximités très proches (comme un demi-nanomètre), la position précise d’un électron est incertaine, le maculant dans l’espace entre le matériau et la sonde ; l’état de l’atome peut alors être mesuré dans le courant résultant.
Ensemble, les deux techniques sont connues sous le nom de microscopie à effet tunnel à balayage de rayons X synchrotron (SX-STM). Le rayonnement X amplifié excite l’échantillon et le détecteur en forme d’aiguille collecte les photoélectrons résultants. Et c’est une technique passionnante qui ouvre des possibilités assez incroyables : l’année dernière, l’équipe a publié un article sur l’utilisation de SX-STM pour faire tourner une seule molécule.
Cette fois, ils sont allés encore plus petits, essayant de mesurer les propriétés d’un seul atome de fer. Ils ont créé séparément des assemblages supramoléculaires, comprenant des ions de fer et de terbium à l’intérieur d’un anneau d’atomes dans ce qu’on appelle un ligand. Un atome de fer et six atomes de rubidium étaient liés à des ligands terpyridines ; le terbium, l’oxygène et le brome ont été liés à l’aide de ligands pyridine-2,6-dicarboxamide.
Gauche : Schéma de l’assemblage supramoléculaire du terbium, avec le terbium en cyan, le brome en bleu et l’oxygène en rouge. A gauche : Image SX-STM des assemblages supramoléculaires de terbium. (Ajayi et al., Nature, 2023)
Ces échantillons ont ensuite été soumis à SX-STM.
La lumière que le détecteur reçoit n’est pas la même que la lumière émise sur l’échantillon. Certaines longueurs d’onde sont absorbées par les électrons dans le noyau atomique, ce qui signifie qu’il y a des lignes plus sombres sur le spectre des rayons X reçus.
Ces lignes plus sombres, selon l’équipe, correspondent aux longueurs d’onde absorbées respectivement par le fer et le terbium. Les spectres d’absorption pourraient également être analysés pour déterminer les états chimiques de ces atomes.
Pour l’atome de fer, quelque chose d’intéressant s’est produit. Le signal de rayons X ne pouvait être détecté que lorsque la pointe de la sonde était située précisément au-dessus de l’atome de fer dans sa structure supramoléculaire et à une proximité extrêmement proche.
Ceci, disent les chercheurs, confirme la détection dans le régime tunnel. L’effet tunnel étant un phénomène quantique, cela a des implications pour l’étude de la mécanique quantique.
“Notre travail”, écrivent les chercheurs, “relie les rayons X synchrotron à un processus de 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 d’un seul atome.”
C’est probablement au moins aussi bon que des os.
La recherche a été publiée dans Nature.
