С момента своего открытия Рентгеном в 1895 году рентгеновские лучи использовались повсеместно, от медицинских осмотров до проверок службы безопасности в аэропортах. Даже Curiosity, марсоход НАСА, оснащен рентгеновским аппаратом для изучения материального состава горных пород на Марсе. Важным применением рентгеновских лучей в науке является определение типа материалов в образце. С годами количество материалов в образце, необходимое для детектирования рентгеновских лучей, значительно сократилось благодаря разработке синхротронных источников рентгеновского излучения и новых приборов. На сегодняшний день наименьшее количество, которое можно подвергнуть рентгеновскому облучению образца, находится в аттограмме, то есть около 10 000 атомов или более. Это связано с тем, что рентгеновский сигнал, генерируемый атомом, чрезвычайно слаб, так что обычные рентгеновские детекторы не могут быть использованы для его обнаружения. По словам Hla, это давняя мечта ученых - просвечивать рентгеном всего один атом, которая сейчас реализуется возглавляемой им исследовательской группой.

"Атомы можно обычным образом визуализировать с помощью сканирующих зондовых микроскопов, но без рентгеновских лучей невозможно определить, из чего они состоят. Теперь мы можем точно определить тип конкретного атома, по одному атому за раз, и одновременно измерить его химическое состояние", - объяснил Хла, который также является директором Института наноразмерных и квантовых явлений при Университете Огайо. "Как только мы сможем это сделать, мы сможем проследить состав материалов вплоть до предельного значения всего в один атом. Это окажет огромное влияние на экологию и медицину и, возможно, даже найдет лекарство, которое может оказать огромное влияние на человечество. Это открытие изменит мир".

Их статья, опубликованная в научном журнале Природа 31 мая 2023 года и украшающий обложку печатной версии научного журнала от 1 июня 2023 года, подробно описывает, как Hla и несколько других физиков и химиков, включая аспирантов из ОГАЙО, использовали специально разработанный синхротронный рентгеновский прибор на линии луча XTIP Advanced Photon Source и Центр наноразмерных материалов при Аргоннской национальной лаборатории.

Для демонстрации команда выбрала атом железа и атом тербия, оба вставленные в соответствующие молекулярные носители. Чтобы обнаружить рентгеновский сигнал одного атома, исследовательская группа дополнила обычные детекторы рентгеновских лучей специализированным детектором, изготовленным из острого металлического наконечника, расположенного в предельной близости к образцу, для сбора возбужденных рентгеновским излучением электронов - метод, известный как синхротронная сканирующая туннельная микроскопия или SX-STM.. Рентгеновская спектроскопия в SX-STM запускается за счет фотопоглощения электронов на уровне ядра, которое образует элементарные отпечатки пальцев и эффективно для прямой идентификации элементного типа материалов.

Согласно Hla, спектры подобны отпечаткам пальцев, каждый из которых уникален и способен точно определить, что это такое.

"Использованный метод и концепция, доказанные в этом исследовании, открыли новые горизонты в рентгенологии и наномасштабных исследованиях", - сказал Толулоп Майкл Аджайи, который является первым автором статьи и выполняет эту работу в рамках своей докторской диссертации. "Более того, использование рентгеновских лучей для обнаружения и характеристики отдельных атомов могло бы произвести революцию в исследованиях и дать начало новым технологиям в таких областях, как квантовая информация и обнаружение микроэлементов в экологических и медицинских исследованиях, и это лишь некоторые из них. Это достижение также открывает дорогу для передовых приборов в области материаловедения".

В течение последних 12 лет Hla участвовала в разработке прибора SX-STM и методов его измерения совместно с Фолькером Роузом, научным сотрудником Advanced Photon Source в Аргоннской национальной лаборатории.

"В течение 12 лет мне удалось успешно руководить работой четырех аспирантов из ОГАЙО над их докторскими диссертациями, связанными с разработкой метода SX-STM. Мы прошли долгий путь, чтобы добиться обнаружения рентгеновской сигнатуры одного атома", - сказал Hla.

Исследование Hla сосредоточено на нано- и квантовых науках с особым акцентом на понимание химических и физических свойств материалов на фундаментальном уровне - на основе отдельных атомов. В дополнение к получению рентгеновской сигнатуры одного атома, ключевой целью команды было использовать этот метод для исследования воздействия окружающей среды на один редкоземельный атом.

"Мы также обнаружили химические состояния отдельных атомов", - объяснил Hla. "Сравнивая химические состояния атома железа и атома тербия внутри соответствующих молекулярных хозяев, мы обнаруживаем, что атом тербия, редкоземельного металла, довольно изолирован и не изменяет своего химического состояния, в то время как атом железа сильно взаимодействует со своим окружением".

Многие редкоземельные материалы используются в повседневных устройствах, таких как сотовые телефоны, компьютеры и телевизоры, и это лишь некоторые из них, и они чрезвычайно важны для создания и продвижения технологий. Благодаря этому открытию ученые теперь могут определить не только тип элемента, но и его химическое состояние, что позволит им лучше манипулировать атомами внутри различных материалов-носителей для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей в различных областях. Более того, они также разработали новый метод под названием "туннелирование с возбуждением рентгеновского резонанса или X-ERT", который позволяет им определять, как орбитали отдельной молекулы ориентируются на поверхности материала, используя синхротронные рентгеновские лучи.

"Это достижение объединяет синхротронные рентгеновские лучи с процессом квантового туннелирования для обнаружения рентгеновской сигнатуры отдельного атома и открывает множество захватывающих направлений исследований, включая исследование квантовых и спиновых (магнитных) свойств всего одного атома с использованием синхротронных рентгеновских лучей", - сказал Hla.

В дополнение к Аджайи, несколько других аспирантов из ОГАЙО, в том числе нынешние аспиранты Синет Премаратна по физике и Синьюэ Ченг по химии, а также выпускники Phd по физике Санджой Саркар, Шаоз Ван, Кьяу Зин Латт, Томас Рохас и Ань Т. Нго, в настоящее время доцент кафедры химической инженерии в университете штата Огайо. Университет Иллинойса в Чикаго принимал участие в этом исследовании. Председатель Колледжа искусств и наук Роенигк и профессор химии Эрик Массон разработали и синтезировали молекулу редкоземельных элементов, использованную в этом исследовании.

В дальнейшем Hla и его исследовательская группа продолжат использовать рентгеновские лучи для определения свойств всего одного атома и найдут способы дальнейшей революции в своих приложениях для использования при сборе критически важных материалов, исследованиях и многом другом.