Wissenschaftler berichten über das weltweit erste X

Ein Team von Wissenschaftlern der Ohio University, des Argonne National Laboratory, der University of Illinois-Chicago und anderen unter der Leitung des Physikprofessors der Ohio University und des Wissenschaftlers Saw Wai Hla vom Argonne National Laboratory hat das weltweit erste Röntgensignal aufgenommen ( oder SIGNATUR) von nur einem Atom. Diese bahnbrechende Leistung wurde vom US-Energieministerium, Office of Basic Energy Sciences, finanziert und könnte die Art und Weise, wie Wissenschaftler die Materialien erkennen, revolutionieren.

Seit ihrer Entdeckung durch Röntgen im Jahr 1895 werden Röntgenstrahlen überall eingesetzt, von medizinischen Untersuchungen bis hin zu Sicherheitskontrollen auf Flughäfen. Sogar Curiosity, der Marsrover der NASA, ist mit einem Röntgengerät ausgestattet, um die Materialzusammensetzung der Gesteine ​​auf dem Mars zu untersuchen. Eine wichtige Verwendung von Röntgenstrahlen in der Wissenschaft besteht darin, die Art der Materialien in einer Probe zu identifizieren. Dank der Entwicklung von Synchrotron-Röntgenquellen und neuen Instrumenten konnte im Laufe der Jahre die für die Röntgendetektion erforderliche Materialmenge in einer Probe erheblich reduziert werden. Bisher liegt die kleinste Menge, die man einer Probe röntgen kann, im Attogramm vor, also etwa 10.000 Atome oder mehr. Dies liegt daran, dass das von einem Atom erzeugte Röntgensignal extrem schwach ist und daher mit herkömmlichen Röntgendetektoren nicht erfasst werden kann. Laut Hla ist es ein langjähriger Traum von Wissenschaftlern, auch nur ein einziges Atom zu röntgen, was das von ihm geleitete Forscherteam nun verwirklicht.

„Atome können routinemäßig mit Rastersondenmikroskopen abgebildet werden, aber ohne Röntgenstrahlen kann man nicht sagen, woraus sie bestehen. Wir können jetzt genau die Art eines bestimmten Atoms erkennen, ein Atom nach dem anderen, und gleichzeitig messen.“ seinen chemischen Zustand“, erklärte Hla, der auch Direktor des Nanoscale and Quantum Phenomena Institute an der Ohio University ist. „Sobald wir dazu in der Lage sind, können wir die Materialien bis zur endgültigen Grenze von nur einem Atom zurückverfolgen. Das wird große Auswirkungen auf die Umwelt- und Medizinwissenschaften haben und vielleicht sogar ein Heilmittel finden, das enorme Auswirkungen auf die Menschheit haben kann.“ Entdeckung wird die Welt verändern.

Ihr Artikel, der am 31. Mai 2023 in der Fachzeitschrift Nature (DOI 10.1038/s41586-023-06011-w) veröffentlicht wurde und am 1. Juni 2023 das Cover der Druckversion der Fachzeitschrift zierte, beschreibt detailliert, wie Hla und mehrere andere Physiker und Chemiker, darunter Ph.D. Studenten am OHIO nutzten ein speziell gebautes Synchrotron-Röntgeninstrument an der XTIP-Beamline von Advanced Photon Source und dem Center for Nanoscale Materials am Argonne National Laboratory.

Zur Demonstration wählte das Team ein Eisenatom und ein Terbiumatom, die beide in entsprechende molekulare Wirte eingefügt wurden. Um das Röntgensignal eines Atoms zu erfassen, ergänzte das Forschungsteam herkömmliche Röntgendetektoren durch einen speziellen Detektor aus einer scharfen Metallspitze, die in extremer Nähe zur Probe positioniert wurde, um durch Röntgenstrahlen angeregte Elektronen zu sammeln – eine Technik, die als Synchrotron bekannt ist Röntgen-Rastertunnelmikroskopie oder SX-STM. Die Röntgenspektroskopie in SX-STM wird durch die Photoabsorption von Kernelektronen ausgelöst, die elementare Fingerabdrücke darstellen und zur direkten Identifizierung des Elementtyps der Materialien beitragen.

Laut Hla sind die Spektren wie Fingerabdrücke, jedes einzelne sei einzigartig und könne genau erkennen, was es sei.

„Die in dieser Studie verwendete Technik und das Konzept, das sich in dieser Studie bewährt hat, haben neue Wege in der Röntgenwissenschaft und in nanoskaligen Studien beschritten“, sagte Tolulope Michael Ajayi, der Erstautor der Arbeit und diese Arbeit im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte. These. „Darüber hinaus könnte die Verwendung von Röntgenstrahlen zur Erkennung und Charakterisierung einzelner Atome die Forschung revolutionieren und neue Technologien in Bereichen wie der Quanteninformation und der Erkennung von Spurenelementen in der Umwelt- und medizinischen Forschung hervorbringen, um nur einige zu nennen. Diese Errungenschaft eröffnet auch.“ der Weg für fortschrittliche materialwissenschaftliche Instrumente.“

In den letzten 12 Jahren war Hla zusammen mit Volker Rose, einem Wissenschaftler an der Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory, an der Entwicklung eines SX-STM-Instruments und seiner Messmethoden beteiligt.

„Ich konnte über einen Zeitraum von 12 Jahren vier Doktoranden aus OHIO erfolgreich bei ihren Doktorarbeiten im Zusammenhang mit der Entwicklung der SX-STM-Methode betreuen. Wir haben einen langen Weg zurückgelegt, um die Detektion eines einzelnen Atoms im Röntgenbild zu erreichen.“ Unterschrift“, sagte Hla.

Hlas Studie konzentriert sich auf Nano- und Quantenwissenschaften mit besonderem Schwerpunkt auf dem Verständnis der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Materialien auf grundlegender Ebene – auf der Basis einzelner Atome. Neben der Erzielung einer Röntgensignatur eines Atoms bestand das Hauptziel des Teams darin, mit dieser Technik die Umweltauswirkungen auf ein einzelnes Seltenerdatom zu untersuchen.

„Wir haben auch die chemischen Zustände einzelner Atome erfasst“, erklärte Hla. „Durch den Vergleich der chemischen Zustände eines Eisenatoms und eines Terbiumatoms in jeweiligen molekularen Wirten stellen wir fest, dass das Terbiumatom, ein Seltenerdmetall, eher isoliert ist und seinen chemischen Zustand nicht ändert, während das Eisenatom stark mit ihm interagiert Umgebung."

Viele Seltenerdmaterialien werden in alltäglichen Geräten wie Mobiltelefonen, Computern und Fernsehern verwendet, um nur einige zu nennen, und sind für die Entwicklung und Weiterentwicklung von Technologie äußerst wichtig. Durch diese Entdeckung können Wissenschaftler nun nicht nur die Art des Elements, sondern auch seinen chemischen Zustand identifizieren, was es ihnen ermöglicht, die Atome in verschiedenen Wirtsmaterialien besser zu manipulieren, um den sich ständig ändernden Anforderungen in verschiedenen Bereichen gerecht zu werden. Darüber hinaus haben sie auch eine neue Methode namens „Röntgenerregtes Resonanztunneln oder

„Diese Errungenschaft verbindet Synchrotron-Röntgenstrahlen mit dem Quantentunnelprozess, um die Röntgensignatur eines einzelnen Atoms zu erkennen, und eröffnet viele spannende Forschungsrichtungen, einschließlich der Erforschung von Quanten- und Spin-(magnetischen) Eigenschaften nur eines Atoms mithilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlen.“ sagte Hla.

Neben Ajayi haben mehrere andere OHIO-Graduiertenstudenten, darunter aktuelle Doktoranden, studiert. Die Studenten Sineth Premarathna in Physik und Xinyue Cheng in Chemie sowie Ph.D. Die Physik-Absolventen Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas und Anh T. Ngo, derzeit außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Illinois-Chicago, waren an dieser Forschung beteiligt. Eric Masson, Vorsitzender des Roenigk College of Arts and Sciences und Professor für Chemie, entwarf und synthetisierte das in dieser Studie verwendete Seltenerdmolekül.

Auch in Zukunft werden Hla und sein Forschungsteam Röntgenstrahlen nutzen, um die Eigenschaften nur eines Atoms zu erkennen und Wege zu finden, ihre Anwendungen weiter zu revolutionieren, um sie bei der Erfassung kritischer Materialforschung und mehr zu nutzen.