С тех пор как в 1895 году были открыты рентгеновские лучи, они не перестают удивлять нас благодаря множеству практических применений: от медицины до материаловедения и исследований в области квантовых и экологических технологий.
Рентгеновские лучи также используются для понимания устройства атомов и молекул. Однако, поскольку рентгеновские лучи имеют распределение длин волн, сравнимое с размером атома, уже давно предпринимаются попытки уменьшить количество исследуемого материала, чтобы охарактеризовать элементное и химическое состояние всего лишь одного атома. Эта крошечная частица лежит в основе всей обычной материи, понимание которой позволяет нам разгадать тайны большой Вселенной.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, группа исследователей из Университета Огайо и Аргоннской национальной лаборатории Университета Иллинойс-Чикаго под руководством профессора физики Толулопа Аджайи и ученого Со-Вай Хла преодолела эту проблему. Они впервые получили рентгеновское изображение отдельного атома, заменив обычные детекторы специализированным заклепочником, состоящим из острого металлического наконечника, помещенного в непосредственной близости от образца, для сбора электронов, возбуждаемых рентгеновскими лучами.
Техника синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопии
Эта техника известна как синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия (SX-STM). Сначала электроны ускоряются по кругу до получения высокой энергии. Затем используется техника, известная как "сканирующая зондовая микроскопия", чтобы заставить проводящий зонд с острым наконечником взаимодействовать с электронами в материале.
Усиленное таким образом рентгеновское излучение возбуждает образец, а точечный детектор собирает возникающие фотоэлектроны. Чем ближе к атому, тем больше положение электронов становится неопределенным и размазанным между пространством материала и зондом: состояние атома можно измерить по результирующему току.
Спектроскопия в SX-STM полезна для прямого определения типа составляющих в материалах. Для этого эксперимента исследователи собрали ионы железа и тербия, оба из которых были помещены внутрь молекулярного кольца. Затем эти образцы были подвергнуты SX-STM.
Обнаруженное излучение будет отличаться от падающего на образец, поскольку некоторые длины волн были поглощены электронами атомного ядра. Таким образом, мы можем наблюдать более темные линии в спектре полученных рентгеновских лучей, которые, по мнению исследователей, соответствуют длинам волн, поглощенным железом и тербием.
Изображения атомов можно регулярно получать с помощью сканирующих зондовых микроскопов, но без рентгеновских лучей мы не можем сказать, из чего они состоят. Теперь мы можем точно определить тип конкретного атома, по одному атому за раз, и одновременно измерить его химическое состояние.
Рентгеновские лучи для определения элементарного и химического состояния одного атома
По словам команды, эти спектры подобны отпечаткам пальцев отдельных элементов. Сравнивая химические состояния атома железа и тербия внутри их соответствующих носителей, ученые обнаружили, что последний достаточно изолирован и не меняет своего химического состояния, в то время как железо сильно взаимодействует с окружающей средой.
Для атома железа ожидалось, что рентгеновский сигнал может быть обнаружен только тогда, когда наконечник зонда находится точно над ним, в чрезвычайно близком положении. Это было бы демонстрацией обнаружения в режиме туннелирования, чисто квантового явления. По этому поводу исследователи сказали: "Наша работа открывает возможности для будущих рентгеновских экспериментов для одновременного определения характеристик элементарных и химических свойств материалов на предельном одноатомном уровне".
Многие материалы, подобные тем, что были использованы в исследовании, применяются в устройствах, которыми мы пользуемся каждый день, таких как мобильные телефоны, телевизоры и компьютеры. Получение настоящего рентгеновского снимка атома является революционным достижением для обнаружения материалов в масштабе одного атома, а также для его последствий в постоянно углубляющемся понимании Вселенной, в которой мы живем.
