Les résultats pourraient conduire à des améliorations de la technologie de sécurité et faciliter le développement de capteurs quantiques.

L'étude, publiée dans Nano Letters , a utilisé l'effet Seebeck, un phénomène thermoélectrique découvert il y a deux siècles, pour identifier les signatures thermiques et lumineuses des molécules mesurées par l'attogramme :un quintillionième de gramme, soit 10 ¹⁸ . fois plus léger qu’un billet d’un dollar. La quantité la plus lourde pesait environ 52 attogrammes et la plus légère environ 40 attogrammes.

"C'est essentiellement la première fois que quelqu'un signale une détection du signal spectroscopique à ces niveaux pour ce petit matériau dans des conditions ordinaires", a déclaré Ali Passian, chercheur scientifique à l'ORNL et co-auteur de l'étude.

"La technique elle-même n'est pas nouvelle. Mais explorer la physique de la détection et poser la bonne question sont la clé. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à un déploiement généralisé de capteurs bon marché, fiables et précis pour une grande variété d'utilisations."

Passian a collaboré à l'étude avec ses collègues scientifiques Yaoli Zhao, Patatri Chakraborty et Thomas Thundat, tous de l'Université de Buffalo.

L'effet Seebeck, du nom du physicien allemand Thomas Seebeck, décrit la tension qui résulte d'une différence de température dans un circuit composé de deux conducteurs électriques différents, tels que deux fils constitués de métaux différents, lorsqu'il est exposé à la chaleur.

L'équipe de recherche s'est appuyée sur une sonde microcantilever en silicone, semblable à une version microscopique de l'aiguille d'un tourne-disque à l'ancienne, qui a exploité l'effet Seebeck en créant un tel circuit et en utilisant la lumière infrarouge d'un laser pour stimuler les molécules des matériaux. à l'étude et créer de la chaleur.

En mettant la sonde en contact avec d'infimes quantités de matériau, l'équipe a travaillé à rebours à partir des signaux spectroscopiques et des changements de différence de température pour identifier et calculer avec précision les quantités de matériau présent :le trinitrotoluène, mieux connu sous le nom de TNT explosif, et le méthylphosphonate de diméthyle. , un composé utilisé dans les retardateurs de flammes et les armes chimiques.

"C'est un système très simple qui fonctionne étonnamment bien", a déclaré Passian. "La sonde a une pointe pointue que nous rapprochons de la surface et que nous dirigeons ensuite la lumière infrarouge dessus. Nous avons généré juste une infime quantité de chaleur et cette sonde a pu la lire. Nous étions très excités de découvrir que nous pouvions détecter si peu de matériel, de manière si fiable et d'une manière si non invasive."

La sonde a été utilisée pour l'imagerie à l'échelle nanométrique (environ neuf ordres de grandeur plus grands qu'un attogramme), mais Passian et son équipe ont été les premiers à utiliser cette approche pour la spectroscopie à une si petite échelle.

"Pensez à une petite pièce de monnaie", a déclaré Passian. "Maintenant, réduisez cette pièce d'un million de fois environ. C'est comparable à la taille de la sonde. Nous avons utilisé la sonde d'une nouvelle manière - pour mesurer la chaleur et la lumière plutôt que de capturer une image - et elle s'est avérée encore plus utile que nous nous y attendions. Je suis sûr que nous pouvons repousser les limites de détection encore plus loin."

La sensibilité de la sonde et son coût relativement faible (des milliers pourraient être fabriqués pour quelques centaines de dollars) ouvrent des possibilités pour un large éventail d'applications.

"Tout le monde veut des capteurs bon marché, petits, rapides et simples, mais aussi très précis", a déclaré Passian. "Ce système répond à tous ces critères. Parce qu'il est si petit, il ne nécessite pas beaucoup de machines encombrantes, et nous pourrions installer des centaines ou des milliers de ces sondes sur une seule surface. Cela rend le système idéal pour les espaces compacts, tels que points de contrôle de sécurité dans les aéroports ou dans des applications souterraines telles que les mines."

L’équipe prévoit de tester la sonde pour détecter des quantités encore plus faibles. Les résultats pourraient soutenir la construction de capteurs quantiques, qui utiliseraient les lois de la physique quantique pour détecter au niveau des atomes individuels.

"À un moment donné, la quantité de matière sera trop petite, même pour ce capteur", a déclaré Passian. "Ensuite, la prochaine étape sera celle des mesures quantiques. Nous espérons que cette technique pourra nous aider à y parvenir."