Raios X síncrotrons captam imagens de um único átomo – Physics World

Raios X síncrotrons captam imagens de um único átomo – Physics World

Carimbo de data / hora: 3 de julho de 2023, 5h

quando os raios X iluminam um átomo (bola vermelha no centro da molécula), os elétrons do nível central são excitados. Os elétrons excitados por raios X então fazem um túnel até a ponta do detector por meio de orbitais atômicos/moleculares sobrepostos, que fornecem informações elementares e químicas sobre o átomo.
Mecanismo de raios X de átomo único Quando os raios X iluminam um átomo (bola vermelha no centro da molécula), os elétrons do nível central são excitados. Os elétrons excitados por raios X então entram em túnel até a ponta do detector por meio de orbitais atômicos/moleculares sobrepostos, que fornecem informações elementares e químicas sobre o átomo. (Cortesia: Saw-Wai Hla)

A resolução da microscopia de tunelamento de raios X síncrotron atingiu o limite de um único átomo pela primeira vez, graças a um novo trabalho realizado por pesquisadores da Argonne National Laboratory nos E.U.A. O avanço terá implicações importantes em muitas áreas da ciência, incluindo a investigação médica e ambiental.

“Uma das aplicações mais importantes dos raios X é a caracterização de materiais”, explica o colíder do estudo Vi Wai Hla, físico de Argonne e professor da Ohio University. “Desde a sua descoberta há 128 anos por Roentgen, esta é a primeira vez que podem ser usados ​​para caracterizar amostras no limite máximo de apenas um átomo.”

Até agora, o menor tamanho de amostra que pôde ser analisado era um atograma, que tem cerca de 10,000 átomos. Isto ocorre porque o sinal de raios X produzido por um único átomo é extremamente fraco e os detectores convencionais não são sensíveis o suficiente para detectá-lo.

Elétrons excitantes no nível central

Em seu trabalho, que os pesquisadores detalham em Natureza, eles adicionaram uma ponta metálica afiada a um detector convencional de raios X para detectar elétrons excitados por raios X em amostras contendo átomos de ferro ou térbio. A ponta é colocada apenas 1 nm acima da amostra e os elétrons excitados são elétrons de nível central – essencialmente “impressões digitais” exclusivas de cada elemento. Esta técnica é conhecida como microscopia de tunelamento por varredura de raios X síncrotron (SX-STM).

Vi Wai Hla e Tolulope M. Ajayi,
No laboratório: Saw Wai Hla (à direita) e o primeiro autor do estudo, Tolulope M. Ajayi. (Cortesia: Laboratório Nacional de Argonne)

O SX-STM combina a resolução espacial ultra-alta da microscopia de varredura por tunelamento com a sensibilidade química fornecida pela iluminação de raios X. À medida que a ponta afiada se move pela superfície de uma amostra, os elétrons atravessam o espaço entre a ponta e a amostra, criando uma corrente. A ponta detecta essa corrente e o microscópio a transforma em uma imagem que fornece informações sobre o átomo sob a ponta.

“O tipo elementar, o estado químico e até mesmo as assinaturas magnéticas são codificados no mesmo sinal”, explica Hla, “portanto, se pudermos registrar a assinatura de raios X de um átomo, será possível extrair essa informação diretamente”.

Ser capaz de investigar um átomo individual e suas propriedades químicas permitirá o projeto de materiais avançados com propriedades ajustadas a aplicações específicas, acrescenta o co-líder do estudo Volker Rosa. “Em nosso trabalho, analisamos moléculas contendo térbio, que pertence à família dos elementos de terras raras, usados ​​em aplicações como motores elétricos em veículos híbridos e elétricos, unidades de disco rígido, ímãs de alto desempenho, geradores de turbinas eólicas, eletrônicos imprimíveis e catalisadores. A técnica SX-STM agora oferece um caminho para explorar esses elementos sem a necessidade de analisar grandes quantidades de material.”

Na investigação ambiental, será agora possível rastrear materiais possivelmente tóxicos até níveis extremamente baixos, acrescenta Hla. “O mesmo se aplica à pesquisa médica, onde as biomoléculas responsáveis ​​pelas doenças podem ser detectadas no limite atômico”, diz ele. Mundo da física.

A equipe diz que agora quer explorar as propriedades magnéticas de átomos individuais para aplicações spintrônicas e quânticas. “Isso terá impacto em vários campos de pesquisa, desde memória magnética usada em dispositivos de armazenamento de dados, detecção quântica e computação quântica, para citar apenas alguns”, explica Hla.

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