Synchrotron-Röntgenstrahlen bilden ein einzelnes Atom ab – Physics World

Die Auflösung der Synchrotron-Röntgenrastertunnelmikroskopie hat dank neuer Arbeiten von Forschern erstmals die Einzelatomgrenze erreicht Argonne National Laboratory in den USA. Der Fortschritt wird wichtige Auswirkungen auf viele Bereiche der Wissenschaft haben, einschließlich der Medizin- und Umweltforschung.

„Eine der wichtigsten Anwendungen von Röntgenstrahlen ist die Charakterisierung von Materialien“, erklärt der Co-Leiter der Studie Habe Wai Hla gesehen, Argonne-Physiker und Professor an Ohio University. „Seit ihrer Entdeckung vor 128 Jahren durch Röntgen ist dies das erste Mal, dass sie zur Charakterisierung von Proben an der Grenzgrenze von nur einem Atom verwendet werden können.“

Bisher war die kleinste Probengröße, die analysiert werden konnte, ein Attogramm, das etwa 10,000 Atome umfasst. Dies liegt daran, dass das von einem einzelnen Atom erzeugte Röntgensignal extrem schwach ist und herkömmliche Detektoren nicht empfindlich genug sind, um es zu erkennen.

Aufregende Elektronen auf Kernebene

In ihrer Arbeit, die die Forscher ausführlich darlegen NaturSie fügten einem herkömmlichen Röntgendetektor eine scharfe Metallspitze hinzu, um durch Röntgenstrahlen angeregte Elektronen in Proben zu erkennen, die Eisen- oder Terbiumatome enthalten. Die Spitze wird nur 1 nm über der Probe platziert und die angeregten Elektronen sind Kernelektronen – im Wesentlichen „Fingerabdrücke“, die für jedes Element einzigartig sind. Diese Technik ist als Synchrotron-Röntgen-Rastertunnelmikroskopie (SX-STM) bekannt.

SX-STM kombiniert die ultrahohe räumliche Auflösung der Rastertunnelmikroskopie mit der chemischen Empfindlichkeit der Röntgenbeleuchtung. Wenn die scharfe Spitze über die Oberfläche einer Probe bewegt wird, tunneln Elektronen durch den Raum zwischen der Spitze und der Probe und erzeugen so einen Strom. Die Spitze erkennt diesen Strom und das Mikroskop wandelt ihn in ein Bild um, das Informationen über das Atom unter der Spitze liefert.

„Der Elementtyp, der chemische Zustand und sogar magnetische Signaturen sind im selben Signal kodiert“, erklärt Hla. „Wenn wir also die Röntgensignatur eines Atoms aufzeichnen können, ist es möglich, diese Informationen direkt zu extrahieren.“

„Die Möglichkeit, ein einzelnes Atom und seine chemischen Eigenschaften zu untersuchen, wird die Entwicklung fortschrittlicher Materialien mit Eigenschaften ermöglichen, die auf spezifische Anwendungen abgestimmt sind“, fügt der Co-Leiter der Studie hinzu Volker Rose. „In unserer Arbeit haben wir uns mit Molekülen befasst, die Terbium enthalten, das zur Familie der Seltenerdelemente gehört und in Anwendungen wie Elektromotoren in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, Festplattenlaufwerken, Hochleistungsmagneten, Windturbinengeneratoren, druckbarer Elektronik und Katalysatoren verwendet wird. Die SX-STM-Technik bietet nun eine Möglichkeit, diese Elemente zu erforschen, ohne dass große Materialmengen analysiert werden müssen.“

Neue Technik erzeugt schnell und effizient farbige Röntgenbilder

In der Umweltforschung sei es nun möglich, möglicherweise giftige Stoffe bis in kleinste Mengen aufzuspüren, ergänzt Hla. „Dasselbe gilt für die medizinische Forschung, wo krankheitsverursachende Biomoleküle an der atomaren Grenze nachgewiesen werden könnten“, sagt er Physik-Welt.

Das Team will nun nach eigener Aussage die magnetischen Eigenschaften einzelner Atome für Spintronik- und Quantenanwendungen erforschen. „Dies wird sich auf mehrere Forschungsbereiche auswirken, vom magnetischen Speicher, der in Datenspeichergeräten verwendet wird, über Quantensensorik und Quantencomputing, um nur einige zu nennen“, erklärt Hla.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/synchrotron-x-rays-image-a-single-atom/