Synchrotronowe promieniowanie rentgenowskie obrazuje pojedynczy atom – Świat Fizyki

Synchrotronowe promieniowanie rentgenowskie obrazuje pojedynczy atom – Świat Fizyki

Znacznik czasu: 3 lipca 2023 5:00

kiedy promienie rentgenowskie oświetlają atom (czerwona kula w środku cząsteczki), elektrony na poziomie rdzenia są wzbudzane. Elektrony wzbudzone promieniowaniem rentgenowskim następnie tunelują do końcówki detektora przez nakładające się orbitale atomowe/molekularne, które dostarczają pierwiastkowych i chemicznych informacji o atomie
Mechanizm rentgenowski pojedynczego atomu Kiedy promienie rentgenowskie oświetlają atom (czerwona kula w środku cząsteczki), elektrony na poziomie rdzenia są wzbudzane. Elektrony wzbudzone promieniowaniem rentgenowskim następnie tunelują do końcówki detektora przez nakładające się orbitale atomowe/molekularne, które dostarczają elementarnych i chemicznych informacji o atomie. (Dzięki uprzejmości: Saw-Wai Hla)

Rozdzielczość synchrotronowej rentgenowskiej skaningowej mikroskopii tunelowej po raz pierwszy osiągnęła granicę jednego atomu dzięki nowej pracy naukowców Argonne National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Postęp będzie miał ważne implikacje w wielu dziedzinach nauki, w tym w badaniach medycznych i środowiskowych.

„Jednym z najważniejszych zastosowań promieni rentgenowskich jest charakteryzacja materiałów”, wyjaśnia współkierownik badania Widziałem Wai Hla, fizyk z Argonne i profesor w Ohio University. „Od czasu odkrycia 128 lat temu przez Roentgena po raz pierwszy można ich użyć do scharakteryzowania próbek na granicy zaledwie jednego atomu”.

Do tej pory najmniejszą próbką, jaką można było przeanalizować, był attogram, czyli około 10,000 XNUMX atomów. Dzieje się tak, ponieważ sygnał rentgenowski wytwarzany przez pojedynczy atom jest niezwykle słaby, a konwencjonalne detektory nie są wystarczająco czułe, aby go wykryć.

Ekscytujące elektrony na poziomie rdzenia

W swojej pracy, którą szczegółowo opisują badacze Natura, dodali ostrą metalową końcówkę do konwencjonalnego detektora promieniowania rentgenowskiego, aby wykryć elektrony wzbudzone promieniowaniem rentgenowskim w próbkach zawierających atomy żelaza lub terbu. Końcówka jest umieszczona zaledwie 1 nm nad próbką, a elektrony, które są wzbudzane, to elektrony na poziomie rdzenia – zasadniczo „odciski palców” unikalne dla każdego pierwiastka. Ta technika jest znana jako synchrotronowa rentgenowska skaningowa mikroskopia tunelowa (SX-STM).

Saw Wai Hla i Tolulope M. Ajayi,
W laboratorium: Saw Wai Hla (po prawej) i badanie pierwszego autora Tolulope M. Ajayi. (Dzięki uprzejmości: Argonne National Laboratory)

SX-STM łączy ultrawysoką rozdzielczość przestrzenną skaningowej mikroskopii tunelowej z czułością chemiczną zapewnianą przez oświetlenie rentgenowskie. Gdy ostra końcówka przesuwa się po powierzchni próbki, elektrony tunelują przez przestrzeń między końcówką a próbką, tworząc prąd. Końcówka wykrywa ten prąd, a mikroskop przekształca go w obraz, który dostarcza informacji o atomie pod końcówką.

„Typ pierwiastka, stan chemiczny, a nawet sygnatury magnetyczne są zakodowane w tym samym sygnale”, wyjaśnia Hla, „więc jeśli możemy zarejestrować sygnaturę rentgenowską jednego atomu, możliwe jest bezpośrednie wydobycie tych informacji”.

Możliwość zbadania pojedynczego atomu i jego właściwości chemicznych pozwoli na zaprojektowanie zaawansowanych materiałów o właściwościach dostosowanych do konkretnych zastosowań, dodaje współkierownik badania Róża Volkera. „W naszej pracy przyjrzeliśmy się cząsteczkom zawierającym terb, który należy do rodziny pierwiastków ziem rzadkich, wykorzystywanych w aplikacjach takich jak silniki elektryczne w pojazdach hybrydowych i elektrycznych, dyski twarde, wysokowydajne magnesy, generatory turbin wiatrowych, elektronika do druku i katalizatory. Technika SX-STM umożliwia teraz badanie tych elementów bez konieczności analizowania dużych ilości materiału”.

W badaniach środowiskowych możliwe będzie teraz śledzenie potencjalnie toksycznych materiałów aż do bardzo niskich poziomów, dodaje Hla. „To samo dotyczy badań medycznych, w których biomolekuły odpowiedzialne za choroby można wykryć na granicy atomowej” – mówi. Świat Fizyki.

Zespół twierdzi, że chce teraz zbadać właściwości magnetyczne poszczególnych atomów do zastosowań spintronicznych i kwantowych. „Będzie to miało wpływ na wiele dziedzin badań, od pamięci magnetycznej używanej w urządzeniach do przechowywania danych, po wykrywanie kwantowe i obliczenia kwantowe, by wymienić tylko kilka”, wyjaśnia Hla.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki