Нещодавно група вчених за допомогою нової техніки успішно зареєструвала рентгенівський сигнал окремого атома. Спільне дослідження було проведене Університетом Огайо, Аргонською національною лабораторією та Університетом Іллінойса з Чикаго. Керівник проєкту — Со Вай Хла з Аргонської лабораторії.
Як відомо, рентгенівські промені неодноразово застосувались у квантових дослідженнях. Але нова методика дозволила отримати принципово нові результати, які ще треба переосмислити.
Стаття опублікована в журналі Nature 29 травня 2023 року, а 1 червня вона прикрасила обкладинку друкованої версії наукового видання. Дослідження було профінансовано Міністерством енергетики США та Управлінням фундаментальних енергетичних наук.
Ми дійсно стаємо на порозі величезного стрибка у галузі квантової фізики та атомних досліджень. Можливість побачити окремий атом за допомогою рентгенівського зображення відкриває нам безліч шляхів — від нового розуміння структури атома до опису електронної конфігурації та фундаментальних взаємодій, що визначають поведінку матерії в найменших масштабах.
Фізики давно прагнули безпосередньо спостерігати за окремими атомами, оскільки наше розуміння мікромиру значною мірою ґрунтується на непрямих доказах, математичних моделях і великомасштабних експериментах. Поява таких технологій, як скануючі тунельні мікроскопи (СТМ) і атомно-силові мікроскопи (АСМ) наближають нас до сакральної мети — зрозуміти, чому ми існуємо. І заодно допомагають провести ревізію парадигми, яка, чесно кажучи, не задовольняє більшість груп, зайнятих польовими дослідженнями.
Що ж, звичайні рентгенівські детектори занадто слабкі та не можуть реєструвати сигнали, що генеруються окремими атомами. Найменша кількість матеріалу, яку здатна опромінювати наша техніка, становить близько 10 000 атомів або навіть більше.
Дослідницька група під керівництвом Хла подолала це обмеження за допомогою спеціалізованого детектора, виготовленого з гострого металевого наконечника, розташованого дуже близько до зразка. Цей детектор збирає збуджені рентгенівським випромінюванням електрони, які тунелюють від зразка до вістря через атомні або молекулярні орбіталі, що перекриваються.
Новий метод назвали “синхротронна рентгенівська скануюча тунельна мікроскопія” (SX-STM). Він розроблявся Хла та його співробітниками протягом останніх 12 років.
Метод
Коли рентгенівські промені потрапляють на атом заліза, збуджуються електрони на рівні ядра. Збуджені рентгенівськими променями електрони потім тунелюють до кінчика детектора через атомні/молекулярні орбіталі, що перекриваються, і надають елементарну та хімічну інформацію про атом заліза.
Використовуючи SX-STM, дослідники змогли виявити рентгенівський сигнал одного атома заліза й одного атома тербію, вставлених у відповідні молекулярні хости. Елементна приналежність і хімічний стан атома подібні до відбитків пальців, а отже фахівці можуть ідентифікувати різні типи атомів.
"Атоми можна візуалізувати за допомогою скануючих зондових мікроскопів, але без рентгенівських променів не можна сказати, з чого вони зроблені. Тепер ми можемо точно визначити тип конкретного атома, один атом за раз, і одночасно виміряти його хімічний стан", - пояснює Хла.
"Як тільки ми зможемо це зробити, ми простежимо матеріали аж до граничної межі лише одного атома. Це матиме великий вплив на екологічну та медичну науки й, можливо, навіть знайдемо ліки, які вплинуть на людство. Це відкриття змінить світ".
Дослідники також порівняли хімічний стан атома заліза та атома тербію всередині відповідних молекулярних хостів і виявили, що атом тербію зазвичай дуже ізольований і не змінює свого хімічного стану, тоді як атом заліза сильно взаємодіє зі своїм оточенням.
Багато рідкоземельних матеріалів використовуються в повсякденних пристроях, таких як мобільні телефони, комп'ютери та телевізори. Вони впливають на розвиток сучасних технологій.
Тепер завдяки цьому відкриттю вчені зможуть маніпулювати атомами всередині різних матеріалів і таким чином подолати дефіцит деяких з них.
"Це досягнення поєднує синхротронне рентгенівське випромінювання з процесом квантового тунелювання для виявлення рентгенівської сигнатури окремого атома і відкриває багато цікавих напрямків досліджень, включаючи дослідження квантових і спінових (магнітних) властивостей лише одного атома за допомогою синхротронного рентгенівського випромінювання", - пояснює Хла.
