‘S Werelds eerste röntgenfoto van een enkel atoom in de natuur

Sinds de ontdekking van röntgenstralen is het gebruik ervan alomtegenwoordig, van medische en milieutoepassingen tot materiaalkunde. Röntgenkarakterisering vereist verschillende atomen en het verminderen van de hoeveelheid materie is een langetermijndoel.

Een team van wetenschappers van de Ohio University, het Argonne National Laboratory, de University of Illinois-Chicago en anderen, geleid door de natuurkundeprofessor van de Ohio University en de wetenschapper van het Argonne National Laboratory, Saw Wai Hla, heeft ‘s werelds eerste röntgensignaal (of handtekening) genomen van slechts één atoom.

Scanmicroscopen kunnen regelmatig atomen visualiseren, maar zonder röntgenstraling is het onmogelijk om te bepalen uit welke materialen ze zijn samengesteld. Beetje bij beetje is het mogelijk om het specifieke type atoom te bepalen terwijl de chemische toestand ervan wordt gemeten.

hey zei, “Als we dat eenmaal kunnen, kunnen we het materiaal opsporen tot op de grens van slechts één atoom. Dit zal grote gevolgen hebben voor de milieu- en medische wetenschappen en mogelijk een geneesmiddel vinden dat een enorme impact kan hebben op de mensheid. Deze ontdekking zal verander de wereld.”

De wetenschappers gebruikten een speciaal gebouwd synchrotron-röntgeninstrument bij de XTIP-bundellijn van het Advanced Photon Source and Nanomaterials Center in het Argonne National Laboratory.

De groep gebruikte een ijzer- en terbiumatoom in hun moleculaire gastheren als voorbeelden. Het onderzoeksteam gebruikte een techniek genaamd synchrotron X-ray scanning tunneling microscopy, of SX-STM, waarbij naast conventionele detectoren een speciale detector van een scherpe metalen punt in de buurt van het monster wordt geplaatst om de aangeslagen röntgenelektronen te verzamelen. Röntgendetectoren, om een ​​enkel atoomsignaal te detecteren. Fotoabsorptie van elektronen op kernniveau, die elementaire handtekeningen opleveren en effectief het elementaire type materiaal identificeren, initieert röntgenspectroscopie in SX-STM.

hey zei, “Spectres zijn als vingerafdrukken, elk uniek en in staat om precies te detecteren wat het is.”

Tululop Michael Ajayi, eerste auteur van het artikel die dit werk deed als onderdeel van zijn proefschrift. proefschrift, “De gebruikte techniek en het concept dat in deze studie wordt gedemonstreerd, heeft een nieuwe weg ingeslagen in röntgenwetenschap en studies op nanoschaal. Bovendien zou het gebruik van röntgenstralen om individuele atomen te detecteren en te karakteriseren een revolutie teweeg kunnen brengen in onderzoek en nieuwe technologieën kunnen genereren op gebieden zoals kwantuminformatie en detectie van sporenelementen in milieu- en medisch onderzoek, om er maar een paar te noemen. Deze prestatie opent ook de weg naar geavanceerde apparaten in de materiaalkunde.”

Doen uitleggenEn We hebben ook de chemische toestanden van individuele atomen onderzocht. Door de chemische toestanden van een ijzeratoom en een terbiumatoom binnen speciale moleculaire gastheren te vergelijken, ontdekken we dat een terbiumatoom, een zeldzaam aardmetaal, geïsoleerd is en zijn chemische toestand niet verandert. Het ijzeratoom daarentegen interageert sterk met zijn omgeving.”

Met deze bevinding kunnen wetenschappers nu niet alleen het type van het element bepalen, maar ook de chemische toestand ervan, waardoor ze atomen binnen verschillende materiële gastheren beter kunnen beheren om te voldoen aan de steeds veranderende eisen van verschillende disciplines. Bovendien hebben ze een geheel nieuwe techniek ontwikkeld die bekend staat als “X-ray excitation resonance tunneling, of X-ERT”, waarmee ze synchrotron-röntgenstralen kunnen gebruiken om te bepalen hoe de banen van een enkel molecuul op het oppervlak van een materiaal.

hey zei, “Deze prestatie verbindt synchrotron-röntgenstralen met het kwantumtunnelproces voor het detecteren van de röntgensignatuur van een individueel atoom en opent verschillende opwindende onderzoeksrichtingen, waaronder het zoeken naar de kwantum- en spin (magnetische) eigenschappen van slechts een enkel atoom met behulp van synchrotron-röntgenstralen.”

Tijdschriftreferentie:

1. Ajayi, T. M., Shirato, N., Rojas, T. et al. Karakterisering van slechts één atoom met behulp van synchrotron-röntgenstralen. Natuur 618, 69-73 (2023). DOI: 10.1038 / s41586-023-06011-w