Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci poprvé získali rentgenový signál (signaturu) jediného atomu. Tento výsledek by mohl změnit techniky analýzy materiálů i zobrazování.
V průběhu let se díky vývoji synchrotronových zdrojů rentgenového záření a nových přístrojů výrazně snížilo minimální množství materiálů ve vzorku, který lze rentgenovým zářením analyzovat. Dosud se hranice pohybovala v atogramech, což je asi 10 000 atomů nebo více. Tým vědců z Ohio University, Argonne National Laboratory, University of Illinois-Chicago a dalších institucí tedy nyní dosáhl posunu hned o několik řádů.
Rentgenový signál produkovaný atomem je extrémně slabý, takže k jeho detekci nelze použít běžné rentgenové detektory. „Atomy lze běžně zobrazovat pomocí mikroskopů se skenovací sondou, ale bez rentgenového záření nelze zjistit, z čeho se skládají /poznámka: tj. o jaký konkrétní atom jde/. Nyní můžeme přesně zjistit typ konkrétního atomu, a to atom po atomu, a současně dokážeme měřit jeho chemický stav,“ uvádí hlavní autor studie Saw Wai Hla z Ohio University.
Studie byla publikována v Nature a dostala se na obálku.
Pro demonstraci si výzkumníci vybrali atomy železa a terbia, oba vložené do větších organických molekul („hostitelů“). Pro detekci rentgenového signálu jediného atomu tým doplnil běžné detektory rentgenového záření o specializovaný detektor z ostrého kovového hrotu umístěného v extrémní blízkosti vzorku, který sbírá elektrony excitované zářením (synchrotronová rentgenová skenovací tunelová mikroskopie, SX-STM). Spektra prvků získaná touto technikou mají být jedinečná.
Kromě dosažení rentgenové signatury jediného atomu bylo dalším cílem týmu také využít tuto techniku ke zkoumání vlivu prostředí na tento atom (tj. zjistit konkrétní stav atomu). „Porovnáním chemických stavů atomu železa a terbia uvnitř příslušných molekulárních hostitelů jsme zjistili, že atom terbia, kovu vzácných zemin, je poměrně izolovaný a nemění svůj chemický stav, zatímco atom železa silně interaguje se svým okolím,“ uvádějí autoři studie. Materiály obsahující prvky vzácných zemin se používají v řadě každodenních zařízení (mobilní telefony, počítače, televizory…) a hrají velkou roli při vytváření a rozvoji technologií. Vědci nyní mohou určit nejen typ prvku, ale také jeho chemický stav, což jim umožní lépe manipulovat s atomy uvnitř různých materiálů. Nově vyvinutá metoda „rentgenově excitované rezonanční tunelování“ (X-ray excited resonance tunneling, X-ERT) dále umožňuje pomocí synchrotronového rentgenového záření zjistit, jak se orbitaly (elektronové obaly) jednotlivých molekul orientují na povrchu materiálu.
Jak uvádí průvodní tisková zpráva, využití rentgenového záření k detekci a charakterizaci jednotlivých atomů by mohlo způsobit revoluci a dát vzniknout novým technologiím v oblastech, jako je kvantová informatika, spintronika a detekce stopových prvků v environmentálním a lékařském výzkumu. Výsledek také otevírá cestu k pokročilým přístrojům pro vědu o materiálech.
Když rentgenové záření (modře) dopadne na atom železa (červená kulička ve středu molekuly), dojde k excitaci elektronů poblíž jádra. Tyto excitované elektrony pak přes překrývající se atomové/molekulární orbitaly tunelují na hrot detektoru (šedě, „tip“), což identifikuje atom železa a poskytuje o něm další informace. Kredit: Saw-Wai Hla
Saw-Wai Hla, Characterization of just one atom using synchrotron X-rays, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w
Zdroj: Ohio University / Nature
