Pierwszy "rentgen" pojedynczego atomu

Przenikliwe promieniowanie elektromagnetyczne odkryte w roku 1895 przez Wilhelma Roentgena od początku było stosowane w diagnostyce i terapii medycznej, ale znalazło też szereg innych zastosowań, jak chociażby badanie struktury kryształów (krystalografia) czy też kontrola bezpieczeństwa na lotniskach.

Jednym z ważnych zastosowań promieni rentgenowskich w nauce jest identyfikacja materiałów w próbce. Nawet wysłany przez NASA marsjański łazik Curiosity wyposażono w urządzenie rentgenowskie do badania składu skał na Marsie. Z biegiem lat potrzebna do analizy za pomocą promieni rentgenowskich ilość materiału w próbce znacznie się zmniejszyła, na przykład dzięki rozwojowi synchrotronowych źródeł promieni rentgenowskich.

Najmniejsza próbka, jaką można było dotychczas zbadać za pomocą promieniowania rentgenowskiego to jeden attogram (jedna trylionowa grama) czyli około 10 000 atomów. Sygnał rentgenowski wytwarzany przez atom jest bardzo słaby, dlatego konwencjonalne detektory rentgenowskie nie są w stanie go wykryć. Kierowany przez prof. Saw Wai Hla zespół naukowców z Ohio University, Argonne National Laboratory, University of Illinois-Chicago i innych jednostek badawczych, jako pierwszy na świecie uzyskał sygnaturę rentgenowską pojedynczego atomu.

"Atomy można rutynowo obrazować za pomocą mikroskopów z sondami skanującymi (SPM), ale bez promieni rentgenowskich nie można stwierdzić, co to za atomy. Teraz możemy dokładnie wykrywać określony typ atomu, po jednym atomie na raz i jednocześnie oznaczać jego stan chemiczny" - wyjaśnił Hla. "Kiedy będziemy w stanie to zrobić, będziemy mogli badać materiały aż do ostatecznej granicy zaledwie jednego atomu. Wywrze to wielki wpływ na naukę o środowisku i medycynę, może nawet pozwoli znaleźć lekarstwo, które będzie miało ogromny wpływ na ludzkość. To odkrycie zmieni świat".

Autorzy badań używali specjalnie skonstruowanego synchrotronowego instrumentu rentgenowskiego, a jako obiekty doświadczalne wybrali atom żelaza i atom terbu, oba umieszczone w odpowiednich cząsteczkach macierzystych. Bardzo blisko badanej próbki umieszczono metalową końcówkę z wyjątkowo ostrym zakończeniem, której zadaniem było zebranie elektronów wzbudzonych przez promieniowanie rentgenowskie. Technika ta znana jest jako synchrotronowa rentgenowska skaningowa mikroskopia tunelowa lub SX-STM. Spektroskopia rentgenowska w SX-STM jest oparta na fotoabsorpcji elektronów, co stanowi "pierwiastkowe odciski palców" i pozwala bezpośrednio identyfikować pierwiastki w badanej próbce.

"Wykryliśmy również stany chemiczne poszczególnych atomów" - zaznaczył Hla. "Porównując stany chemiczne atomu żelaza i atomu terbu w odpowiednich cząsteczkach, stwierdziliśmy, że atom terbu, metalu ziem rzadkich, jest raczej odizolowany i nie zmienia swojego stanu chemicznego, podczas gdy atom żelaza silnie oddziałuje z otoczeniem".

Wiele metali ziem rzadkich jest używanych w urządzeniach codziennego użytku, jak telefony komórkowe, komputery czy telewizory. Dzięki nowej metodzie badawczej naukowcy mogą teraz zidentyfikować nie tylko rodzaj pierwiastka, ale również jego stan chemiczny, co pozwoli im lepiej manipulować atomami wewnątrz różnych materiałów. Opracowano również metodę znaną jako "X-ray excited resonance tunneling" (X-ERT), która z pomocą synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego pozwala wykryć, w jaki sposób orbitale pojedynczej cząsteczki orientują się na powierzchni materiału.

"To osiągnięcie łączy synchrotronowe promieniowanie rentgenowskie z procesem tunelowania kwantowego w celu wykrycia sygnatury rentgenowskiej pojedynczego atomu i otwiera wiele ekscytujących kierunków badań, w tym badania właściwości kwantowych i spinowych (magnetycznych) tylko jednego atomu przy użyciu synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego" - zaznaczył Hla.

Więcej informacji w artykule źródłowym (https://www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w).

Paweł Wernicki