Исследователи впервые получили рентгеновский сигнал всего одного атома и одновременно определили его электронную конфигурацию.
Рентгеновские лучи с момента их открытия в 1895 году стали использоваться повсюду, начиная с медицинского осмотра до проверки безопасности в аэропорту. Они играют большую роль и в науке. Например, можно пропускать лучи через образцы материалов — и по дифракционной картине определять структуру этих материалов. С помощью другой методики — рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии — можно понять, из каких атомов состоит образец. При этом рентгеновские лучи выбивают электроны из атомов на поверхности исследуемого образца. Затем эти электроны попадают на детектор — и по их энергии можно определить состав поверхности. Правда, исследуемый образец тут же поглощает обратно большинство выбитых электронов. Поэтому метод работает только на образцах от 10 000 атомов.
Но метод, предложенный в новом исследовании, даёт возможность определить тип и даже электронную конфигурацию одного-единственного атома. Учёные объединили рентгеновскую спектроскопию со сканирующей туннельной микроскопией (СТМ). Туннельный микроскоп позволяет различить даже отдельные атомы — но не опознать их тип. Вот как он работает. Тонкий кончик иглы расположен очень близко над исследуемой поверхностью, между образцом и иглой есть разность потенциалов. Внешние электроны атомов поверхности могут «перепрыгнуть» на иглу — и чем ближе игла, тем легче им даётся этот «перескок», или туннелирование. Так что туннельный ток зависит от рельефа поверхности.
Команда исследователей сканировала образцы чувствительным СТМ-детектором, одновременно с этим подавая на образец и рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи при определённом значении энергии возбуждали электроны, находящиеся на нижних энергетических уровнях, ближе к ядру. Возбуждённые электроны попадали на внешние оболочки, увеличивая туннельный ток, поэтому их можно было детектировать туннельным микроскопом. Такой метод называется синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопией.
В своём эксперименте учёные использовали специально созданный синхротронный рентгеновский прибор компании Advanced Photon Source и Центра наноразмерных материалов Аргоннской национальной лаборатории. Для демонстрации исследователи выбрали атом железа и атом тербия, расположенные в молекуле определённым образом. При этом нужно было очень точно контролировать и воспроизводить положение образца атома.
Учёные смогли не только идентифицировать атомы, но и продемонстрировали, как разные атомы склонны взаимодействовать с окружающей средой. Сравнивая электронную конфигурацию атомов железа и тербия внутри молекулярных носителей, они обнаружили, что атом железа сильно взаимодействует с окружающей средой. А вот атом редкоземельного металла тербия ведёт себя «изолированно» и не меняет своего состояния. Многие редкоземельные материалы используются в повседневных устройствах — в сотовых телефонах, компьютерах и телевизорах. Детальное изучение их химических свойств чрезвычайно важно для создания и продвижения технологий.
Использование рентгеновских лучей для обнаружения и характеристики отдельных атомов может произвести революцию в науке и дать начало новым технологиям в области квантовой информации или выявления микроэлементов в экологических и медицинских исследованиях. И это лишь некоторые из вариантов применения. Новое достижение также открывает путь для создания передовых приборов в материаловедении.
Подробнее об исследовании читайте здесь.