Физики сообщили о первом в мире рентгеновском снимке одиночного атома
Группа ученых из Университета Огайо, Аргоннской национальной лаборатории, Университета Иллинойс-Чикаго и других во главе с профессором физики Университета Огайо и ученым из Аргоннской национальной лаборатории Со Вай Хла впервые в мире получила рентгеновский сигнал всего одного атома. Это новаторское достижение может произвести революцию в том, как ученые обнаруживают материалы.
Когда рентгеновские лучи (синий цвет) падают на атом железа (красный шар в центре молекулы), возбуждаются электроны остовного уровня. Возбужденные рентгеновским излучением электроны затем туннелируют к кончику детектора (серый) через перекрывающиеся атомные/молекулярные орбитали, которые предоставляют информацию об элементах и химическом составе атома железа.
С момента открытия Рентгеном в 1895 году рентгеновские лучи использовались повсеместно, от медицинских осмотров до проверок безопасности в аэропортах. Даже Curiosity, марсоход НАСА, оснащен рентгеновским аппаратом для изучения состава горных пород на Марсе. Важным использованием рентгеновских лучей в науке является определение типа материалов в образце. За прошедшие годы количество материалов в образце, необходимое для обнаружения рентгеновского излучения, значительно сократилось благодаря развитию источников синхротронного рентгеновского излучения и новых инструментов. На сегодняшний день наименьшее количество, которое можно просканировать с помощью рентгеновского излучения, составляет аттограмма, то есть около 10 000 атомов или 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,
«Атомы можно обычно визуализировать с помощью сканирующих зондовых микроскопов, но без рентгеновских лучей невозможно сказать, из чего они состоят. Теперь мы можем точно определить тип конкретного атома, по одному атому за раз, и можем 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 отследить материалы вплоть до предельного предела в один атом. Это окажет большое влияние на экологические и медицинские науки и, возможно, даже найдет лекарство, которое может оказать огромное влияние на человечество. открытие изменит мир».
В их статье, опубликованной в научном журнале Nature 31 мая 2023 г. и украшающей обложку печатной версии научного журнала 1 июня 2023 г., подробно рассказывается о том, как Хла и несколько других физиков и химиков, включая доктора философии. Студенты из Огайо использовали специально созданный синхротронный рентгеновский прибор на линии луча XTIP Advanced Photon Source и Центра наноразмерных материалов в Аргоннской национальной лаборатории.
Для демонстрации команда выбрала атом железа и атом тербия, вставленные в соответствующие молекулы-хозяева. Чтобы обнаружить рентгеновский сигнал одного атома, исследовательская группа дополнила обычные рентгеновские детекторы специализированным детектором, состоящим из острого металлического наконечника, расположенного в непосредственной близости от образца для сбора возбужденных рентгеновским излучением электронов — метод, известный как синхротрон. Рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия или SX-STM. Рентгеновская спектроскопия в SX-STM запускается фотопоглощением электронов основного уровня, что составляет отпечатки пальцев элементов и эффективно для непосредственной идентификации элементного типа материалов.
По словам Хла, спектры подобны отпечаткам пальцев, каждый из которых уникален и способен точно определить, что это такое.
«Используемый метод и концепция, проверенная в этом исследовании, открыли новые горизонты в области рентгеновских исследований и исследований наномасштаба», — сказал Толулоп Майкл Аджайи, который является первым автором статьи и выполняет эту работу в рамках своей докторской диссертации. Тезис. «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 к передовым приборам для материаловедения».
(Слева) Изображение супрамолекулы в форме кольца, где во всем кольце присутствует только один атом Fe. (Справа) Рентгеновская сигнатура только одного атома Fe.
Последние 12 лет Хла участвовал в разработке прибора SX-STM и методов его измерения вместе с Фолькером Роузом, ученым из Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории.
«Я смог успешно руководить работой четырех аспирантов из Огайо над их докторскими диссертациями, связанными с разработкой метода SX-STM, в течение 12 лет. Мы прошли долгий путь, чтобы добиться обнаружения рентгеновского излучения одного атома.", - сказал Хла.
Исследование Хла сосредоточено на нано- и квантовых науках с особым акцентом на понимании химических и физических свойств материалов на фундаментальном уровне — на уровне отдельных атомов. В дополнение к получению рентгеновской сигнатуры одного атома ключевой целью группы было использовать этот метод для исследования воздействия окружающей среды на один редкоземельный атом.
«Мы также обнаружили химические состояния отдельных атомов, — объяснил Хла. «Сравнивая химические состояния атома железа и атома тербия внутри соответствующих молекулярных узлов, мы обнаруживаем, что атом тербия, редкоземельного металла, довольно изолирован и не меняет своего химического состояния, в то время как атом железа сильно взаимодействует с его окружающие».
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 для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей в различных областях. Кроме того, они также разработали новый метод под названием «Рентгеновское резонансное туннелирование или X-ERT», который позволяет им определять, как орбитали отдельной молекулы ориентируются на поверхности материала, используя синхротронные рентгеновские лучи.
«Это достижение связывает синхротронное рентгеновское излучение с процессом квантового туннелирования для обнаружения рентгеновской сигнатуры отдельного атома и открывает множество интересных направлений исследований, включая исследование квантовых и спиновых (магнитных) свойств всего одного атома с использованием синхротронного рентгеновского излучения». Хла сказал.
Помимо Аджайи, несколько других аспирантов из Огайо, в том числе нынешний доктор философии. студенты Синет Премаратна по физике и Синьюэ Ченг по химии, а также доктор философии. В этом исследовании принимали участие выпускники факультета физики Санджой Саркар, Шаозе Ван, Чжо Зин Латт, Томас Рохас и Ань Т. Нго, в настоящее время адъюнкт-профессор химического машиностроения в Университете Иллинойса в Чикаго. Председатель Колледжа искусств и наук Рениг и профессор химии Эрик Массон разработали и синтезировали молекулу редкоземельного элемента, используемую в этом исследовании.
В будущем Хла и его исследовательская группа продолжат использовать рентгеновские лучи для обнаружения свойств всего одного атома и найдут способы еще больше революционизировать свои приложения для использования в исследованиях по сбору важных материалов и многому другому.
