Ученые сообщают о первом в мире рентгеновском снимке одиночного атома

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

С момента открытия Рентгеном в 1895 году рентгеновские лучи использовались повсеместно, от медицинских осмотров до досмотра в аэропортах. Даже марсоход НАСА Curiosity оснащен рентгеновским аппаратом для изучения состава горных пород на Марсе. Важным применением рентгеновских лучей в науке является определение типа материала в образце. За прошедшие годы количество материала в образце, необходимого для обнаружения рентгеновского излучения, значительно сократилось благодаря разработке источников синхротронного рентгеновского излучения и новых приборов. На сегодняшний день наименьшее количество рентгеновских лучей, которое человек может просканировать, находится в автограмме, около 10 000 атомов или более. Это связано с тем, что рентгеновский сигнал, создаваемый атомом, слишком слаб, чтобы его могли использовать обычные детекторы рентгеновского излучения для его обнаружения. По словам Хла, это давняя мечта ученых — сделать рентгеновский снимок одного атома, и сейчас это реализует исследовательская группа, которую он возглавляет.

«Атомы можно обычно визуализировать с помощью сканирующих зондовых микроскопов, но без рентгеновских лучей нельзя сказать, из чего они состоят. Теперь мы можем точно определить, к какому типу относится тот или иной атом, по одному атому за раз, и мы можем измерить его, — объяснил Хла, который также является директором Института феноменологии, наночастиц и квантов в Университете Огайо, — его химическое состояние». атом. Это окажет огромное влияние на науку об окружающей среде и медицину и может даже найти лекарство, которое может оказать огромное влияние на человеческую расу. Это открытие изменит мир».

Их статья опубликована в научном журнале природа 31 мая 2023 г. и украшающий обложку печатного выпуска научного журнала от 1 июня 2023 г., в котором подробно рассказывается о том, как Хала и несколько других физиков и химиков, включая доктора философии. Студенты из Огайо использовали специально созданный синхротронный рентгеновский прибор на линии луча XTIP Центра усовершенствованных источников фотонов и наноматериалов в Аргоннской национальной лаборатории.

Для иллюстрации команда выбрала атом железа и атом тербия, оба из которых были вставлены в два молекулярных носителя. Чтобы обнаружить рентгеновский сигнал отдельного атома, исследовательская группа дополнила обычные рентгеновские детекторы специальным детектором, сделанным из острого металлического наконечника, который был помещен очень близко к образцу для сбора возбужденных рентгеновским излучением электронов. метод, известный как синхротронная рентгеновская туннельная микроскопия или SX-STM. Рентгеновская спектроскопия в SX-STM основана на фотопоглощении электронов на уровне ядра, которые формируют отпечатки пальцев и эффективны для прямой идентификации элементного типа материалов.

По словам Хла, спектры подобны отпечаткам пальцев, каждый из которых уникален и способен точно определить, что это такое.

«Использованная методика и концепция, продемонстрированная в этом исследовании, открыли новые горизонты в области рентгеновских исследований и исследований в наномасштабе», — сказал Тололоп Майкл Аджайи, первый автор статьи, который выполнил работу в рамках своей докторской диссертации. Тезис. Более того, использование рентгеновских лучей для обнаружения и характеристики отдельных атомов может произвести революцию в исследованиях и создать новые технологии в таких областях, как количественная информация и обнаружение микроэлементов в экологических и медицинских исследованиях и т. д. Это достижение также открывает путь для передовые устройства для материаловедения.

За последние 12 лет Хла участвовал в разработке прибора SX-STM и его методов измерения вместе с Фолькером Роузом, научным сотрудником Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории.

«В течение 12 лет мне удалось успешно руководить четырьмя аспирантами из Огайо, работающими над докторскими диссертациями, связанными с разработкой метода SX-STM. Мы прошли долгий путь, чтобы достичь одноатомного рентгеновского обнаружения», Хала сказал.

Изучение Hla сосредоточено на нано- и квантовых науках с особым упором на понимание химических и физических свойств материалов на самом фундаментальном уровне — на основе отдельного атома. В дополнение к получению рентгеновской сигнатуры одного атома, главная цель команды состояла в том, чтобы использовать этот метод для исследования воздействия на окружающую среду одного редкоземельного атома.

«Мы также открыли химические состояния отдельных атомов, — объяснил Хла. «Сравнивая химические состояния атома железа и атома тербия в соответствующих молекулярных узлах, мы обнаруживаем, что атом тербия, редкоземельного металла, достаточно изолирован и не меняет своего химического состояния, в то время как атом железа сильно взаимодействует с атомами. в его окрестностях».

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 определять не только тип элемента, но и его химическое состояние, что позволит им лучше манипулировать атомами в различных материальных носителях для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей в различных областях. Кроме того, они также разработали новый метод под названием «резонансное туннелирование с возбуждением рентгеновским излучением, или X-ERT», который позволяет им определять, как орбитали одной молекулы на поверхности материала ориентированы, с помощью синхротронного рентгеновского излучения.

«Это достижение связывает синхротронное рентгеновское излучение с процессом квантового туннелирования для обнаружения рентгеновской сигнатуры отдельного атома и открывает множество захватывающих направлений исследований, включая поиск квантовых и спиновых (магнитных) свойств отдельного атома с использованием только синхротрона X. — лучи, — сказала Хла.

Помимо Аджайи, многие другие аспиранты из Огайо, включая нынешних докторов наук. студенты Синет Премаратна по физике и Синьюэ Ченг по химии, а также доктор философии. В этом исследовании приняли участие выпускники факультета физики Санджой Саркар, Чауз Ван, Чжо Жен Лат, Томас Рохас и Энн Т. Нго, которая в настоящее время является адъюнкт-профессором химического машиностроения в Университете Иллинойса в Чикаго. Председатель Колледжа искусств и наук Рениг и профессор химии Эрик Массон разработал и синтезировал молекулу редкоземельного элемента, используемую в этом исследовании.

В дальнейшем Хла и его исследовательская группа будут продолжать использовать рентгеновские лучи для изучения свойств всего одного атома и находить способы революционизировать их применение для использования в коллекции исследований критически важных материалов и во многих других областях.