Наука

Newswise — Впервые с момента открытия рентгеновских лучей в 1895 году исследователи успешно провели рентгеновскую спектроскопию, чтобы идентифицировать элемент в одном атоме за раз. Это достижение основано на усовершенствовании источников синхротронного рентгеновского света — типа рентгеновского излучения, получаемого с помощью ускорителя частиц, изобретенного в середине двадцатого века. Эти улучшения увеличили разрешение рентгеновских лучей и уменьшили размер образца, необходимого для идентификации материала этого образца. Однако до сих пор наименьший пригодный для использования образец составлял не менее 10 000 атомов. Это произошло потому, что один атом производит сигнал, слишком слабый, чтобы его можно было обнаружить с помощью рентгеновских лучей. Поэтому до сих пор рентгеновские лучи не могли быть использованы для определения типа элемента отдельного атома.

Влияние

Эта работа связывает синхротронное рентгеновское излучение с квантовым туннелированием — процессом, основанным на квантовой механике движения фотонов и других частиц. Эта комбинация позволяет исследователям одновременно определять элемент атома и его химическое состояние — его способность реагировать с другими элементами. Результат открывает для ученых новые способы изучения материалов. Это может быть важно в приложениях от экологических исследований до медицины и квантовой информатики.

Краткое содержание

С момента своего открытия в 1895 году рентгеновские лучи стали ключевым научным инструментом. Для рентгеновской характеристики требуется большое количество атомов, и сокращение этого количества было давней целью ученых. В этом исследовании ученые показали, что рентгеновские лучи можно использовать для характеристики элементарного и химического состояния всего лишь одного атома. Исследование проводилось на луче XTIP в Advanced Photon Source и Центре наноразмерных материалов в Аргонне.

Используя специальный наконечник в качестве детектора, метод обнаружил возбуждаемые рентгеновским излучением токи, генерируемые атомами железа и тербия, координированными с органическими лигандами. Спектры рентгеновского поглощения ясно указывали на следы одного атома железа и тербия. Исследователи охарактеризовали химические состояния этих атомов, используя сигналы ближнего рентгеновского поглощения, в которых резонансное туннелирование с возбуждением рентгеновскими лучами (X-ERT) является доминирующим для атома железа. Рентгеновский сигнал может быть воспринят только тогда, когда игла расположена непосредственно над атомом в предельной близости, что подтверждает атомно-локализованное обнаружение в туннельном режиме. Работа связывает синхротронное рентгеновское излучение с процессом квантового туннелирования и открывает будущие рентгеновские эксперименты для одновременной характеристики элементарных и химических свойств на пределе одного атома. Работа была выбрана журналом Physics World одним из 10 прорывов 2023 года.

Финансирование

Это исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики (DOE), Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом материаловедения и инженерии. Работа, выполненная в Центре наноразмерных материалов и передовых источниках фотонов, являющихся объектами использования Управления науки Министерства энергетики США, поддерживалась Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики. Вычислительные ресурсы были предоставлены на Bebop, высокопроизводительном вычислительном кластере, управляемом Лабораторным вычислительным ресурсным центром Аргоннской национальной лаборатории.