Когда рентгеновские лучи (синий цвет) падают на атом железа (красный шар в центре молекулы), возбуждаются электроны основного уровня. Возбужденные рентгеновским излучением электроны затем туннелируют к детектору (серый цвет) через перекрывающиеся атомные/молекулярные орбитали, которые предоставляют информацию об электронной оболочке атома железа.
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 "снимок" (сигнатуру) одиночного атома. Это новаторское достижение может произвести революцию в обнаружении материалов.
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 аттограмм, 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, это давняя мечта ученых — просканировать всего один атом рентгеновским излучением, и сейчас ее реализует руководимая им исследовательская группа.
«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 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. Открытие изменит мир».
В их статье, опубликованной в научном журнале Nature 31 мая 2023 г. подробно рассказывается о том, как Хла и несколько других физиков и химиков 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 специальным 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 позволяет составить «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, с чем исследователь имеет дело.
«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. «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, в кольце присутствует только один атом железа. (Справа) Рентгеновская сигнатура одного атома железа.
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 состояния атома железа и атома тербия внутри соответствующих молекулярных узлов, мы обнаруживаем, что атом тербия, редкоземельного металла, довольно изолирован и не меняет своего 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 лишь некоторые из них 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 одного атома с использованием синхротронного рентгеновского излучения» - добавил Хла.