Rayos X sincrotrón imagen de un solo átomo – Physics World

Rayos X sincrotrón imagen de un solo átomo – Physics World

Marca de tiempo: 3 de julio de 2023 5:00 a. M.

cuando los rayos X iluminan un átomo (una bola roja en el centro de la molécula), se excitan los electrones a nivel del núcleo. Los electrones excitados por rayos X luego hacen un túnel hasta la punta del detector a través de orbitales atómicos/moleculares superpuestos, que proporcionan información elemental y química sobre el átomo.
Mecanismo de rayos X de un solo átomo Cuando los rayos X iluminan un átomo (una bola roja en el centro de la molécula), se excitan los electrones del nivel central. Los electrones excitados por rayos X luego hacen un túnel hasta la punta del detector a través de orbitales atómicos/moleculares superpuestos, que proporcionan información elemental y química sobre el átomo. (Cortesía: Saw-Wai Hla)

La resolución de la microscopía de efecto túnel de rayos X sincrotrón ha alcanzado el límite de un solo átomo por primera vez, gracias a un nuevo trabajo realizado por investigadores de Argonne National Laboratory en los EE.UU. El avance tendrá implicaciones importantes en muchas áreas de la ciencia, incluida la investigación médica y ambiental.

“Una de las aplicaciones más importantes de los rayos X es la caracterización de materiales”, explica el colíder del estudio Sierra Wai Hla, físico de Argonne y profesor de La Universidad de Ohio. "Desde su descubrimiento hace 128 años por Roentgen, esta es la primera vez que se pueden utilizar para caracterizar muestras en el límite último de un solo átomo".

Hasta ahora, el tamaño de muestra más pequeño que podía analizarse era un attograma, que ronda los 10,000 átomos. Esto se debe a que la señal de rayos X producida por un solo átomo es extremadamente débil y los detectores convencionales no son lo suficientemente sensibles para detectarla.

Emocionantes electrones a nivel central

En su trabajo, que los investigadores detallan en Naturaleza, agregaron una punta metálica afilada a un detector de rayos X convencional para detectar electrones excitados por rayos X en muestras que contienen átomos de hierro o terbio. La punta se coloca a solo 1 nm por encima de la muestra y los electrones que se excitan son electrones a nivel del núcleo, esencialmente “huellas digitales” únicas de cada elemento. Esta técnica se conoce como microscopía de efecto túnel de barrido de rayos X sincrotrón (SX-STM).

Saw Wai Hla y Tolulope M. Ajayi,
En el laboratorio: Saw Wai Hla (derecha) y el primer autor del estudio, Tolulope M. Ajayi. (Cortesía: Laboratorio Nacional Argonne)

SX-STM combina la resolución espacial ultraalta de la microscopía de efecto túnel con la sensibilidad química proporcionada por la iluminación de rayos X. A medida que la punta afilada se mueve a través de la superficie de una muestra, los electrones atraviesan el espacio entre la punta y la muestra, creando una corriente. La punta detecta esta corriente y el microscopio la transforma en una imagen que proporciona información sobre el átomo que se encuentra debajo de la punta.

"El tipo elemental, el estado químico e incluso las firmas magnéticas están codificados en la misma señal", explica Hla, "por lo que si podemos registrar la firma de rayos X de un átomo, es posible extraer esta información directamente".

Ser capaz de investigar un átomo individual y sus propiedades químicas permitirá diseñar materiales avanzados con propiedades adaptadas a aplicaciones específicas, añade el codirector del estudio. Volker rosa. “En nuestro trabajo, analizamos moléculas que contienen terbio, que pertenece a la familia de los elementos de tierras raras, y se utilizan en aplicaciones como motores eléctricos en vehículos híbridos y eléctricos, discos duros, imanes de alto rendimiento, generadores de turbinas eólicas y productos electrónicos imprimibles. y catalizadores. La técnica SX-STM ahora proporciona una vía para explorar estos elementos sin la necesidad de analizar grandes cantidades de material”.

En la investigación medioambiental ahora será posible rastrear materiales posiblemente tóxicos hasta niveles extremadamente bajos, añade Hla. "Lo mismo ocurre con la investigación médica, donde las biomoléculas responsables de las enfermedades pueden detectarse en el límite atómico", afirma. Mundo de la física.

El equipo dice que ahora quiere explorar las propiedades magnéticas de átomos individuales para aplicaciones espintrónicas y cuánticas. "Esto afectará a múltiples campos de investigación, desde la memoria magnética utilizada en dispositivos de almacenamiento de datos, hasta la detección cuántica y la computación cuántica, por nombrar sólo algunos", explica Hla.

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