Используя рентгеновские лучи, ученым удалось визуализировать отдельные атомы железа и тербия. Этот подход позволяет получить более глубокие сведения об их характеристиках и химическом состоянии, открывая перспективы для изучения молекул и материалов с атомарной точностью.
Первым изображением стал изолированный атом водорода — получили в 2008 году с помощью электронного микроскопа. А через несколько лет ученые сумели рассмотреть даже внутреннее строение атома, включая орбитали его электрона. Теперь же им удалось увидеть отдельный атом в рентгеновских лучах, которые позволяют различить больше деталей.
«Возможно определение типа отдельного атома и его химического состояния одновременно. Это даст возможность исследовать материалы с атомарным разрешением», — объяснил профессор Университета Огайо Со-Вай Хла (Saw-Wai Hla). Статья о новой работе опубликована в журнале Nature.
Для получения изображений атомов обычно применяют сканирующие туннельные микроскопы. Используемые инструменты «сканируют» специально подготовленный образец с помощью зонда – тончайшей иглы, на которую подается электрический заряд. Электрические заряды срываются с кончика иглы, проникая через пространство между ней и поверхностью, и формируя электрический ток. Полученные данные о токе, подвергаемые математической обработке, преобразуются в визуальное изображение.
В настоящее время группа профессора Хла разрабатывает рентгеновский аналог данной технологии, известный как «синхротронная рентгеновская сканирующая туннельная микроскопия» (SX-STM). В процессе работы образец облучается узким рентгеновским лучом, при этом, помимо стандартного детектора, применяется тонкая металлическая игла, размещенная на минимальном расстоянии от него.
Рентгеновские фотоны переводят атомарные электроны в состояние возбуждения. Электроны занимают более высокие орбитали, что немедленно влияет на ток между образцом и иглой, возникающий при туннелировании электронов на нее. Электроны атома, в зависимости от его состояния, обладают различной энергией и располагаются на разных орбиталях, поглощая фотоны с разной длиной волны. Это позволяет не только идентифицировать атом, но и определить его химическое окружение.
Новый метод SX-STM был недавно успешно применен учеными. Для проведения экспериментов был использован рентгеновский источник APL Аргоннской национальной лаборатории, а в качестве объектов исследования выступили ионы железа и тербия, организованные в супрамолекулярном комплексе. Этот комплекс обеспечил ученым платформу, на которой были «зафиксированы» атомы.
«Нам удалось установить химические состояния отдельных атомов. Сопоставив их состояния в различных молекулярных комплексах, мы продемонстрировали, что тербий — редкоземельный металл — сохраняет относительно изолированное положение. <…> В то же время, железо, напротив, проявляет значительное взаимодействие с окружающей средой», — заключил профессор Хла.