Группа американских учёных впервые в мире получила рентгеновское изображение отдельного атома. Это достижение может произвести революцию в способах обнаружения материалов учёными.
С момента открытия рентгеновских лучей Рентгеном в 1895 году они используются повсеместно: от медицинских осмотров до досмотра в аэропортах. Важное применение рентгеновских лучей в науке — определение типа материалов в образце. С течением времени количество материалов в образце, необходимое для определения рентгеновского излучения, значительно уменьшилось благодаря развитию источников синхротронного рентгеновского излучения и новых приборов.
На сегодняшний день наименьшее количество материала в образце, которое можно рентгенографировать, составляет аттограмм, то есть не менее 10 000 атомов. Это связано с тем, что рентгеновский сигнал, производимый атомом, чрезвычайно слаб, поэтому обычные детекторы рентгеновского излучения не могут быть использованы для его обнаружения. По словам руководителя исследования, профессора Со Вай Хла, давняя мечта учёных — просветить рентгеном всего один атом. И теперь эта мечта осуществилась благодаря возглавляемой им исследовательской группе.
«С помощью сканирующих зондовых микроскопов можно спокойно получать изображения атомов, но без рентгеновских лучей невозможно определить, из чего они состоят. Теперь мы можем точно определить тип конкретного атома, по одному атому за раз, и одновременно измерить его химическое состояние, — объяснил Хла, который также занимает должность директора Института наноразмеров и квантовых явлений при Университете Огайо. — Как только мы научимся это делать, мы сможем изучать материалы поатомно. Это окажет большое влияние на экологические и медицинские науки и, возможно, даже позволит найти лекарство, которое окажет огромное влияние на человечество. Это открытие изменит мир».
В статье, опубликованной в научном журнале Nature 31 мая 2023 года и появившейся на обложке печатной версии научного журнала 1 июня 2023 года, подробно описывается, как Хла и несколько других физиков и химиков использовали специально построенный синхротронный рентгеновский прибор на синхротроне APS в Центре наноразмерных материалов Аргоннской национальной лаборатории.
Для демонстрации команда выбрала атом железа и атом тербия, закреплённые в молекулярных носителях. Чтобы обнаружить рентгеновский сигнал единственного атома, исследовательская группа дополнила обычные детекторы рентгеновских лучей специализированным детектором в виде острого металлического наконечника, расположенного в непосредственной близости от образца для сбора рентгеновских возбуждённых электронов — метод, известный как синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия или SX-STM. Рентгеновская спектроскопия в SX-STM осуществляется благодаря фотопоглощению невалентных электронов.
По словам Хла, эти спектры подобны отпечаткам пальцев, каждый из которых уникален и способен точно определить, что за материал используется в эксперименте.
«Мы также зафиксировали химические состояния отдельных атомов, — пояснил Хла. — Сравнивая химические состояния атома железа и атома тербия внутри соответствующих молекулярных носителей, мы обнаружили, что атом тербия, редкоземельного металла, 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 имеют огромное значение для создания и развития технологий. Благодаря этому открытию учёные теперь могут определить не только тип элемента, но и его химическое состояние, что позволит им лучше манипулировать атомами внутри различных материалов для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей в различных областях. Более того, они также разработали новый метод под названием «рентгеновское возбуждённое резонансное туннелирование или X-ERT», который позволяет обнаружить, как орбитали одной молекулы ориентируются на поверхности материала с помощью синхротронного рентгеновского излучения.
«Это достижение соединяет синхротронное рентгеновское излучение с процессом квантового туннелирования для обнаружения рентгеновской сигнатуры отдельного атома и открывает множество интересных направлений исследований, включая изучение квантовых и спиновых (магнитных) свойств отдельных атомов с помощью синхротронного рентгеновского излучения», — сказал Хла.
