I raggi X di sincrotrone visualizzano un singolo atomo – Physics World

I raggi X di sincrotrone visualizzano un singolo atomo – Physics World

Timestamp: 3 luglio 2023 5:00

quando i raggi X illuminano un atomo (palla rossa al centro della molecola), gli elettroni a livello del nucleo vengono eccitati. Gli elettroni eccitati dai raggi X poi si tunnelano verso la punta del rilevatore attraverso orbitali atomici/molecolari sovrapposti, che forniscono informazioni elementari e chimiche sull'atomo
Meccanismo a raggi X a singolo atomo Quando i raggi X illuminano un atomo (palla rossa al centro della molecola), gli elettroni a livello del nucleo vengono eccitati. Gli elettroni eccitati dai raggi X poi si incanalano verso la punta del rilevatore attraverso orbitali atomici/molecolari sovrapposti, che forniscono informazioni elementari e chimiche sull'atomo. (Per gentile concessione: Saw-Wai Hla)

La risoluzione della microscopia ad effetto tunnel a scansione di raggi X di sincrotrone ha raggiunto per la prima volta il limite del singolo atomo, grazie al nuovo lavoro dei ricercatori dell'Università di Argonne National Laboratory negli Stati Uniti. Il progresso avrà importanti implicazioni in molti settori della scienza, compresa la ricerca medica e ambientale.

“Una delle applicazioni più importanti dei raggi X è la caratterizzazione dei materiali”, spiega il co-responsabile dello studio Ho visto Wai Hla, fisico dell'Argonne e professore presso Ohio University. “Dalla loro scoperta 128 anni fa da parte di Roentgen, questa è la prima volta che possono essere utilizzati per caratterizzare campioni al limite ultimo di un solo atomo”.

Fino ad ora, il campione più piccolo che poteva essere analizzato era un attogramma, ovvero circa 10,000 atomi. Questo perché il segnale dei raggi X prodotto da un singolo atomo è estremamente debole e i rilevatori convenzionali non sono abbastanza sensibili per rilevarlo.

Emozionanti elettroni a livello del nucleo

Nel loro lavoro, in cui i ricercatori descrivono in dettaglio Natura, hanno aggiunto una punta metallica affilata a un rilevatore di raggi X convenzionale per rilevare gli elettroni eccitati dai raggi X in campioni contenenti atomi di ferro o terbio. La punta è posizionata appena 1 nm sopra il campione e gli elettroni che vengono eccitati sono elettroni a livello del nucleo – essenzialmente “impronte digitali” uniche per ciascun elemento. Questa tecnica è nota come microscopia a effetto tunnel a raggi X di sincrotrone (SX-STM).

Ho visto Wai Hla e Tolulope M. Ajayi,
In laboratorio: Saw Wai Hla (a destra) e il primo autore dello studio, Tolulope M. Ajayi. (Per gentile concessione: Laboratorio nazionale Argonne)

SX-STM combina la risoluzione spaziale ultraelevata della microscopia a effetto tunnel con la sensibilità chimica fornita dall'illuminazione a raggi X. Quando la punta affilata viene spostata sulla superficie del campione, gli elettroni attraversano lo spazio tra la punta e il campione, creando una corrente. La punta rileva questa corrente e il microscopio la trasforma in un'immagine che fornisce informazioni sull'atomo sotto la punta.

“Il tipo elementare, lo stato chimico e persino le firme magnetiche sono codificati nello stesso segnale”, spiega Hla, “quindi se possiamo registrare la firma dei raggi X di un atomo, è possibile estrarre queste informazioni direttamente”.

Essere in grado di studiare un singolo atomo e le sue proprietà chimiche consentirà la progettazione di materiali avanzati con proprietà adattate ad applicazioni specifiche, aggiunge il co-leader dello studio Volker Rosa. “Nel nostro lavoro, abbiamo esaminato molecole contenenti terbio, che appartiene alla famiglia degli elementi delle terre rare, utilizzati in applicazioni come motori elettrici in veicoli ibridi ed elettrici, unità disco rigido, magneti ad alte prestazioni, generatori di turbine eoliche, elettronica stampabile e catalizzatori. La tecnica SX-STM ora fornisce una strada per esplorare questi elementi senza la necessità di analizzare grandi quantità di materiale”.

Nella ricerca ambientale sarà ora possibile rintracciare materiali potenzialmente tossici fino a livelli estremamente bassi, aggiunge Hla. "Lo stesso vale per la ricerca medica in cui le biomolecole responsabili delle malattie potrebbero essere rilevate al limite atomico", spiega Mondo della fisica.

Il team dice che ora vuole esplorare le proprietà magnetiche dei singoli atomi per applicazioni spintroniche e quantistiche. “Ciò avrà un impatto su molteplici campi di ricerca, dalla memoria magnetica utilizzata nei dispositivi di archiviazione dati, al rilevamento quantistico e all’informatica quantistica, per citarne solo alcuni”, spiega Hla.

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