Les scientifiques et les ingénieurs travaillant à la frontière de la nanotechnologie sont confrontés à d'énormes défis. Lorsque la position d'un seul atome dans un matériau peut modifier les propriétés fondamentales de ce matériau, les scientifiques ont besoin de quelque chose dans leur boîte à outils pour mesurer le comportement de cet atome.

Une équipe de recherche dirigée par l'Université de Leeds, en collaboration avec des collègues de l'Université de la Sorbonne à Paris, La France, ont montré pour la première fois qu'il est possible de développer une technique de diagnostic vaguement liée à l'idée d'un diapason.

Un diapason produit un son fixe lorsqu'on lui applique de l'énergie - dans ce cas, quand il est frappé. Mais si la fourche est modifiée d'une manière ou d'une autre, il se désaccorde :le ton change.

La technique utilisée par l'équipe de recherche consiste à tirer un faisceau d'électrons sur un seul atome d'un solide. Ce flux d'énergie le fait vibrer, ainsi que les atomes qui l'entourent.

Cela crée une empreinte énergétique vibratoire unique, semblable à la tonalité fixe d'un diapason, qui peut être enregistré par un microscope électronique. Mais si une impureté d'un seul atome est présente, un autre élément chimique, par exemple, l'empreinte énergétique vibratoire de cette impureté changera :le matériau « sonnera » différemment à cet endroit précis.

La recherche ouvre la possibilité que les scientifiques seront en mesure de surveiller les matériaux pour les impuretés atomiques.

Les résultats, Spectroscopie vibrationnelle à atome unique dans le microscope électronique à balayage, sont publiés aujourd'hui dans la revue Science .

Quentin Ramasse, Professeur de microscopie électronique avancée à Leeds qui a dirigé le projet, a déclaré :« Nous avons maintenant la preuve directe qu'un seul atome « étranger » dans un solide peut modifier sa propriété vibrationnelle à l'échelle atomique.

"Cela a été prédit depuis des décennies, mais il n'y a pas eu de technique expérimentale pour observer directement ces changements vibrationnels. Nous avons pu montrer pour la première fois que vous pouvez enregistrer cette signature de défaut avec une précision atomique."

Les chercheurs ont utilisé le laboratoire SuperSTEM, le National Research Facility du Royaume-Uni pour la microscopie électronique avancée, soutenu par le Conseil de recherche en génie et en physique (EPSRC).

L'installation abrite certaines des installations les plus avancées au monde pour étudier la structure atomique de la matière, et est exploité sous les auspices d'un consortium universitaire dirigé par l'Université de Leeds (incluant également les universités d'Oxford, York qui ont participé à ce projet, ainsi que Manchester, Glasgow et Liverpool).

Les scientifiques ont localisé un seul atome d'impureté de silicium dans un grand cristal de graphène (une forme de carbone d'une épaisseur d'un atome seulement) - puis ont concentré le faisceau de leur microscope électronique directement sur cet atome.

Le professeur Ramasse a déclaré :« Nous le frappons avec un faisceau d'électrons, qui fait bouger ou vibrer l'atome de silicium, absorbant une partie de l'énergie du faisceau d'électrons entrant dans le processus - et nous mesurons la quantité d'énergie qui est absorbée."

L'animation illustre schématiquement la vibration du silicium, et comment cette vibration commence à affecter les atomes voisins, et s'inspire des nombreux calculs théoriques de l'équipe du Dr Guillaume Radtke à l'Université de la Sorbonne, qui a collaboré à ce projet.

"La réponse vibrationnelle que nous observons est unique à la façon dont cet atome de silicium particulier est situé dans le réseau de graphène, " a ajouté le Dr Radtke. " Nous pourrions prédire comment sa présence perturberait le réseau environnant d'atomes de carbone, mais ces expériences représentent une véritable prouesse technique car nous sommes maintenant capables de mesurer avec une précision atomique un changement aussi subtil."