За първи път в света заснемат рентгенов сигнал (или сигнатура) само на един атом. Това революционно постижение може да доведе до революция в начина, по който учените откриват материалите.

Постижението е на екип учени от Университета на Охайо, Аргоновата национална лаборатория, Университета на Илинойс-Чикаго и други, ръководен от професора по физика от Университета на Охайо и учен от Аргоновата национална лаборатория Соу-Вай Хла (Saw Wai Hla).

След откриването на рентгеновите лъчи от Рьонтген през 1895 г. те се използват навсякъде - от медицински прегледи до проверки за сигурност на летищата. Дори Curiosity, марсоходът на НАСА, е оборудван с рентгеново устройство, за да изследва материалния състав на скалите на Марс. Важна употреба на рентгеновите лъчи в науката е да се определи видът на материалите в дадена проба. С течение на годините количеството на материалите в пробата, необходимо за определяне на рентгенови лъчи, значително е намаляло благодарение на разработването на синхротронни източници на рентгенови лъчи и нови инструменти. Към днешна дата най-малкото количество, което може да се изследва с рентгеновите лъчи, е проба от порядъка на аттограм (10⁻¹⁸ грама), т.е. около 10 000 атома или повече. Причината е, че рентгеновият сигнал, произвеждан от един атом, е изключително слаб, така че конвенционалните рентгенови детектори не могат да бъдат използвани за откриването му. Според Хла отдавнашна мечта на учените е да облъчат с рентгенова светлина само един атом, която сега се осъществява от ръководения от него изследователски екип.

"Атомите могат да се изобразяват рутинно с микроскопи със сканираща сонда, но без рентгенови лъчи не може да се каже от какво са изградени. Сега можем да определим точно вида на даден атом, един по един, и едновременно с това да измерим химическото му състояние", обяснява Хла, който е и директор на Института за наноразмерни и квантови явления към Университета в Охайо. "След като успеем да направим това, ще можем да проследим материалите до крайната граница на само един атом. Това ще окаже голямо влияние върху науките за околната среда и медицината и може би дори ще намерим лекарство, което може да има огромно значение за човечеството. Това откритие ще преобрази света."

В статията им, публикувана в научното списание Nature на 31 май 2023 г. и е на корицата на печатната версия на научното списание на 1 юни 2023 г., се описва подробно как Хла и няколко други физици и химици, включително докторанти от Университета на Охайо, използват специално създаден синхротронен рентгенов уред в лъчевата линия XTIP на Advanced Photon Source и Центъра за наноразмерни материали в Аргоновата национална лаборатория.

За демонстрация екипът избира атоми на желязо и тербий, които са поставени в съответните молекулни носители. За да открие рентгеновия сигнал на единичен атом, изследователският екип допълва конвенционалните детектори на рентгенови лъчи със специализиран детектор, изработен с остър метален връх, разположен в изключителна близост до пробата, за да събира рентгеново възбудени електрони - техника, известна като синхротронна рентгенова сканираща тунелна микроскопия или SX-STM. Рентгеновата спектроскопия в SX-STM се задейства от фотоабсорбцията на електроните от ядрено ниво, които представляват пръстови отпечатъци на елементите и са ефективни при директното идентифициране на елементарния тип на материалите.

Според Хла спектрите са като пръстови отпечатъци, като всеки от тях е уникален и може да се открие точно какъв е.

"Използваната техника и концепцията, доказана в това изследване, открива нови хоризонти в рентгенологията и наноразмерните изследвания", казва Толулопе Майкъл Аджайи (Tolulope Michael Ajayi), който е първи автор на статията и извършва тази работа като част от докторската си дисертация. "Нещо повече, използването на рентгенови лъчи за откриване и характеризиране на отделни атоми може да доведе до революция в научните изследвания и да даде началото на нови технологии в области като квантовата информация и откриването на микроелементи в екологичните и медицинските изследвания, и др. Това постижение също така открива пътя за усъвършенствани инструменти в областта на материалознанието."

(Вляво) Изображение на пръстеновидна супермолекула, в която в целия пръстен присъства само един атом Fe. (Вдясно) Рентгенов подпис на само един атом Fe. Кредит: Saw-Wai Hla

През последните 12 години Хла участва в разработването на инструмента SX-STM и неговите методи за измерване.

"За период от 12 години успях успешно да ръководя четирима дипломанти от Университета на Охайо за техните докторски дисертации, свързани с разработването на метода SX-STM. Извървяхме дълъг път, за да постигнем откриване на рентгенов подпис на единичен атом", разказва Хла.

Изследването на Хла е фокусирано върху нано и квантовите науки, като се поставя специален акцент върху разбирането на химичните и физичните свойства на материалите на фундаментално ниво - на база отделен атом. В допълнение към постигането на рентгенов подпис на един атом, основната цел на екипа е да използва тази техника за изследване на въздействието на околната среда върху един атом на редкоземни елементи.

"Открихме и химичните състояния на отделните атоми", обяснява Хла. "Като сравняваме химичните състояния на атома на желязото и на атома на тербия в съответните молекулни носители, откриваме, че атомът на тербия, рядкоземен метал, е по-скоро изолиран и не променя химичното си състояние, докато атомът на желязото силно взаимодейства със заобикалящата го среда."

Много редкоземни материали се използват в устройства от ежедневието, като например мобилни телефони, компютри и телевизори, и са изключително важни за създаването и развитието на технологиите. Благодарение на това откритие учените вече могат да определят не само вида на елемента, но и неговото химично състояние, което ще им позволи да манипулират по-добре атомите в различните материали, за да отговорят на постоянно променящите се нужди в различни области. Освен това те са разработили и нов метод, наречен "рентгеново възбудено резонансно тунелиране" или X-ERT, който им позволява да открият как орбиталите на една молекула се ориентират върху материална повърхност, използвайки синхротронни рентгенови лъчи.

"Това постижение свързва синхротронните рентгенови лъчи с процеса на квантово тунелиране за откриване на рентгеновия подпис на отделен атом и открива много вълнуващи изследователски направления, включително изследвания на квантовите и спиновите (магнитните) свойства само на един атом с помощта на синхротронни рентгенови лъчи", коментира Хла.

Освен Аджайи в това изследване са участвали още няколко дипломанти от Университета на Охайо.

Занапред Хла и неговият изследователски екип ще продължат да използват рентгеновите лъчи за откриване на свойствата само на един атом и да търсят начини за по-нататъшно революционизиране на приложенията им за използване при събиране на важни материали за изследване и др.

Saw-Wai Hla, Characterization of just one atom using synchrotron X-rays, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w. www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w

Scientists' report world's first X-ray of a single atom, Ohio University