Получен первый в мире рентгеновский снимок одиночного атома
Ученые использовали рентгеновские лучи для получения характеристики свойств отдельного атома, показывая, что этот метод можно использовать для понимания материи на уровне ее мельчайших строительных блоков.
Рентгеновские лучи считаются подходящими для характеристики материалов на атомном уровне, поскольку их распределение длин волн сравнимо с размером атома.
И есть несколько методов, позволяющих направлять рентгеновские лучи на материю, чтобы увидеть, как она устроена в действительно крошечных масштабах.
Одним из них является синхротронное рентгеновское излучение, в котором электроны ускоряются по круговой траектории до такой степени, что они ярко светятся высокоэнергетическим светом.
Чтобы попытаться увидеть действительно мелкие масштабы, ученые использовали метод, который сочетает в себе синхротронное рентгеновское излучение с методом микроскопии для получения изображений в атомном масштабе, который называется сканирующей туннельной микроскопией.
При этом используется проводящий зонд с острым концом, который взаимодействует с электронами исследуемого материала в так называемом «квантовом туннелировании».
На очень близком расстоянии (например, в половине нанометра) точное положение электрона неопределенно, и он размазывается по пространству между материалом и зондом; состояние атома может быть измерено результирующим током.
Вместе эти два метода известны как синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия (SX-STM). Усиленное рентгеновское излучение возбуждает образец, и игольчатый детектор собирает образующиеся фотоэлектроны. И это захватывающая техника, которая открывает довольно невероятные возможности: в прошлом году исследователи опубликовали статью об использовании SX-STM для вращения одной молекулы.
На этот раз они пошли еще дальне, пытаясь измерить свойства одного атома железа. Они отдельно создали надмолекулярные сборки, включающие ионы железа и тербия внутри кольца атомов в так называемом лиганде. Один атом железа и шесть атомов рубидия связаны с терпиридиновыми лигандами; тербий, кислород и бром были связаны с помощью пиридин-2,6-дикарбоксамидных лигандов.
Затем эти образцы изучали с помощью SX-STM.
Свет, который получает детектор, отличается от света, излучаемого на образец. Некоторые длины волн поглощаются электронами в ядре атома, что означает наличие более темных линий в полученном рентгеновском спектре.
Ученые обнаружили, что эти более темные линии соответствуют длинам волн, поглощаемых железом и тербием соответственно. Спектры поглощения также могут быть проанализированы для определения химического состояния этих атомов.
С атомом железа произошло нечто интересное. Рентгеновский сигнал можно было зарегистрировать только тогда, когда кончик зонда располагался точно над атомом железа в его супрамолекулярной структуре и на очень близком расстоянии.
Это, говорят исследователи, подтверждает обнаружение в туннельном режиме. Поскольку туннелирование является квантовым явлением, это имеет значение для изучения квантовой механики.
«Наша работа, — пишут исследователи , — связывает синхротронное рентгеновское излучение с процессом квантового туннелирования и открывает будущие рентгеновские эксперименты для одновременной характеристики элементных и химических свойств материалов на предельном уровне одного атома».
Исследование опубликовано в журнале Nature.