Первый в мире рентгеновский снимок одного атома

Когда рентгеновские лучи (синего цвета) освещают атом железа (красный шар в центре молекулы), электроны на уровне ядра возбуждаются. Электроны, возбуждаемые рентгеновским излучением, затем туннелируют к наконечнику детектора (серому) через перекрывающиеся атомные / молекулярные орбитали, которые обеспечивают элементную и химическую информацию об атоме железа. Предоставлено: Saw-Wai Hla

Группа ученых из Университета Огайо, Аргоннской национальной лаборатории, Университета Иллинойса-Чикаго и других, во главе с профессором физики Университета Огайо и ученым Аргоннской национальной лаборатории Со Вай Хла, получила первый в мире рентгеновский сигнал (или сигнатуру) всего одного атома. Это новаторское достижение может произвести революцию в том, как ученые обнаруживают материалы.

С момента своего открытия Рентгеном в 1895 году рентгеновские лучи использовались повсеместно, от медицинских осмотров до проверок безопасности в аэропортах. Даже марсоход НАСА Curiosity оснащен рентгеновским устройством для изучения состава материалов горных пород на Марсе. Важным использованием рентгеновских лучей в науке является определение типа материалов в образце. С годами количество материалов в образце, необходимых для рентгеновского детектирования, значительно сократилось благодаря разработке источников синхротронного рентгеновского излучения и новых инструментов. На сегодняшний день наименьшее количество рентгеновского образца находится в аттограмме, то есть около 10 000 атомов и более. Это связано с тем, что рентгеновский сигнал, создаваемый атомом, чрезвычайно слаб, поэтому обычные детекторы рентгеновского излучения не могут быть использованы для его обнаружения. По словам Хла, это давняя мечта ученых сделать рентгеновский снимок всего одного атома, которая сейчас реализуется исследовательской группой во главе с ним.

«Атомы можно регулярно визуализировать с помощью сканирующих зондовых микроскопов, но без рентгеновских лучей невозможно сказать, из чего они сделаны. Теперь мы можем точно определить тип конкретного атома, по одному атому за раз, и одновременно измерить его химическое состояние», — объяснил Хла, который также является директором Института наноразмерных и квантовых явлений в Университете Огайо. «Как только мы сможем это сделать, мы сможем проследить материалы до предельного предела всего в один атом. Это окажет большое влияние на экологические и медицинские науки и, возможно, даже найдет лекарство, которое может оказать огромное влияние на человечество. Это открытие изменит мир».

Для демонстрации команда выбрала атом железа и атом тербия. Чтобы обнаружить рентгеновский сигнал одного атома, исследовательская группа дополнила обычные детекторы в рентгеновских лучах специализированным детектором, изготовленным из острого металлического наконечника, расположенного в непосредственной близости от образца для сбора электронов, возбужденных рентгеновским излучением — метод, известный как синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия или SX-STM. Рентгеновская спектроскопия в SX-STM запускается фотопоглощением электронов на уровне ядра.

По словам Хла, спектры похожи на отпечатки пальцев, каждый из которых уникален и способен точно определить, что это такое.

«Используемая техника и концепция, доказанная в этом исследовании, открыли новые горизонты в рентгеновской науке и наноразмерных исследованиях», — сказал Толулопе Майкл Аджайи, который является первым автором статьи и выполняет эту работу в рамках своей докторской диссертации. «Более того, использование рентгеновских лучей для обнаружения и характеристики отдельных атомов может произвести революцию в исследованиях и породить новые технологии в таких областях, как квантовая информация и обнаружение микроэлементов в экологических и медицинских исследованиях, и это лишь некоторые из них. Это достижение также открывает путь для передовых приборостроительных приборов в области материаловедения».

(Слева) Изображение кольцеобразной супрамолекулы, в которой во всем кольце присутствует только один атом железа. (Справа) Рентгеновская сигнатура только одного атома железа. Предоставлено: Saw-Wai Hla

Исследование Хла сосредоточено на нано- и квантовых науках с особым акцентом на понимание химических и физических свойств материалов на фундаментальном уровне — на индивидуальной основе атома. В дополнение к достижению рентгеновской сигнатуры одного атома, ключевая цель команды состояла в том, чтобы использовать эту технику для исследования воздействия окружающей среды на один атом редкоземельных элементов.

«Мы также обнаружили химические состояния отдельных атомов», — объяснил Хла. «Сравнивая химические состояния атома железа и атома тербия внутри соответствующих молекулярных хозяев, мы обнаруживаем, что атом тербия, редкоземельный металл, довольно изолирован и не меняет своего химического состояния, в то время как атом железа сильно взаимодействует с окружающей средой».

Многие редкоземельные материалы используются в повседневных устройствах, таких как сотовые телефоны, компьютеры и телевизоры, и это лишь некоторые из них, и они чрезвычайно важны для создания и развития технологий. Благодаря этому открытию ученые теперь могут определить не только тип элемента, но и его химическое состояние, что позволит им лучше манипулировать атомами внутри различных материалов-хозяев для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей в различных областях. Кроме того, они также разработали новый метод под названием «Резонансное туннелирование с рентгеновским возбуждением или X-ERT», который позволяет им обнаруживать, как орбитали одной молекулы ориентируются на поверхности материала с помощью синхротронных рентгеновских лучей.

«Это достижение связывает синхротронные рентгеновские лучи с процессом квантового туннелирования для обнаружения рентгеновской сигнатуры отдельного атома и открывает множество интересных направлений исследований, включая исследования квантовых и спиновых (магнитных) свойств только одного атома с использованием синхротронных рентгеновских лучей», — сказал Хла.

Оригинал статьи: Saw-Wai Hla, Characterization of just one atom using synchrotron X-rays, Nature (2023).

DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w 🔗