Une alchimie moderne? Une nouvelle technique pour étudier les éléments synthétisés

Rappelant la quête des alchimistes médiévaux pour convertir les métaux de base comme le plomb en or, les scientifiques se concentrent de plus en plus sur la production et l’analyse d’éléments super‑lourds (SHE pour «superheavy elements») qui n’existent pas en dehors du laboratoire. Synthétisés en un seul atome à la fois grâce à l’utilisation de grands accélérateurs, les SHE aident les chercheurs à apporter un nouvel éclairage sur le comportement de la matière dans l’Univers. Situés en bas du tableau périodique des éléments, les SHE contiennent un grand nombre de protons dans leurs noyaux. Ils ne sont pas présents naturellement dans la croûte terrestre et n’existent que brièvement dans des circonstances très contrôlées. Ils sont radioactifs et se décomposent rapidement, souvent en quelques fractions de seconde, ce qui laisse peu de temps pour les étudier.

Soutenue par le projet LRC, financé par l’UE, une équipe de scientifiques a proposé une nouvelle technologie pour mesurer les spectres des ions de SHE de nombres atomiques supérieurs à 102. Un spectre désigne les longueurs d’ondes caractéristiques de la radiation électromagnétique émise ou absorbée par un objet ou une substance, un atome ou une molécule en transition d’un état à haute énergie à un état à plus faible énergie. Les résultats de la recherche ont été publiés dans les revues «Physical Review Letters» et «Physical Review A».

Selon un communiqué de presse de l’université Johannes‑Gutenberg de Mayence (JGU), hôte du projet LRC, malgré la découverte des SHE il y a plusieurs décennies, leur étude par les outils de spectroscopie optique se trouve «loin derrière la synthèse. Cela est dû au fait qu’ils sont produits à des taux extrêmement bas et pour lesquels les méthodes traditionnelles ne fonctionnent tout simplement pas. Pour l’instant, la spectroscopie optique se termine au nobélium, l’élément 102 du tableau périodique». Cité dans ce même communiqué de presse, le Dr Mustapha Laatiaoui commente: «Les techniques actuelles représentent la limite de ce qui est faisable. À partir de l’élément suivant plus lourd, les propriétés physicochimiques évoluent brusquement et entravent l’apport d’échantillons dans des états atomiques convenables.»Comme l’explique le communiqué de presse de la JGU, la nouvelle approche des chercheurs en matière de spectroscopie optique par chromatographie par résonance laser (LRC) «combine la sélectivité des éléments et la précision spectrale de la spectroscopie laser avec la spectrométrie de masse à mobilité ionique, et fusionne les avantages d’une grande sensibilité avec la “simplicité” de l’examen optique comme dans la spectroscopie de fluorescence induite par laser». Le communiqué de presse ajoute: «L’idée principale repose sur la détection des produits des excitations optiques résonantes non pas sur la base de la lumière fluorescente comme à l’accoutumée, mais sur la base de leur temps de dérive caractéristique vers un détecteur de particules.»

L’étude portait sur «le lawrencium à charge unique, l’élément 103, et sur son homologue chimique plus léger». Comme indiqué dans ce même communiqué de presse, «ce concept offre cependant un accès inégalé à la spectroscopie laser de nombreux autres ions monoatomiques du tableau périodique, en particulier les métaux de transition, dont les métaux réfractaires à haute température et les éléments au-delà du lawrencium». «D’autres espèces ioniques telles que le thorium triplement chargé doivent également être à portée de l’approche LRC. De plus, ce procédé permet d’optimiser les rapports signal/bruit et ainsi de faciliter la spectrométrie à mobilité ionique, la chimie ionique à état sélectionné et d’autres applications.»

Les chercheurs pensent que la caractérisation spectroscopique des SHE s’avère indispensable pour la cosmologie, l’astrophysique et la progression de la théorie de la structure atomique. Ils prévoient d’utiliser cette nouvelle technique pour d’autres SHE au‑delà du lawrencium. Le projet LRC (Laser Resonance Chromatography of Superheavy Metals) s’achèvera en mai 2024.