Учёным удалось сфотографировать одиночный атом: каковы следствия открытия?

Атомы представляют собой фундаментальные строительные блоки всей материи, поэтому неудивительно, что ученые стремятся визуализировать их с помощью различных методов. Например, в 2008 году физики успешно получили изображение атома водорода с помощью электронного микроскопа. В 2013 году квантовый микроскоп позволил ученым увидеть электроны атома. Кроме того, в 2018 году был совершен удивительный подвиг, когда студенту Оксфордского университета удалось получить изображение атома с помощью камеры.

Фото: www.diyphotography. net/photo-single-trapped-atom-wins-science-photography-competition/?playAgain=1638046935

В настоящее время группа исследователей из Университета Огайо, Аргоннской национальной лаборатории и Университета Иллинойса-Чикаго добилась успеха, просветив рентгеновскими лучами первый отдельный атом. Это достижение имеет огромный потенциал для развития медицины и экологии, поскольку понимание атома в его мельчайших масштабах может дать бесценные знания.

Рентгеновские лучи особенно хорошо подходят для исследования атомов благодаря сходству между распределением длин волн и размером атома. Однако до этого недавнего открытия минимально возможное разрешение рентгеновских лучей позволяло получать четкие изображения только в масштабе аттограммы, то есть примерно 10 000 атомов. В то время рентгеновское излучение от атома считалось слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить. К счастью, теперь это мнение изменилось.

Со Вай Хла, ведущий автор исследования из Университета Огайо, заявил:

"Атомы можно регулярно визуализировать с помощью сканирующих зондовых микроскопов, но без рентгеновского излучения невозможно определить их состав. Теперь мы можем точно определить конкретный тип каждого отдельного атома, один за другим, и одновременно определить его химическое состояние".

Во время демонстрации Хла и его команда сосредоточили внимание на атоме железа (Fe) и атоме тербия (Tb), которые были заключены в супрамолекулярный носитель. Они использовали сложную технику, называемую синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопией (SX-STM). Этот процесс включает в себя проведение острого наконечника по поверхности и создание изображения на основе взаимодействий на наконечнике, напоминающее работу иглы по канавкам виниловой пластинки.

Используя явление, известное как "квантовое туннелирование", когда квантовые частицы периодически пересекают твердые объекты, возбужденные атомы ядра туннелируют к наконечнику, оставляя после себя элементарный отпечаток, который не только идентифицирует каждый отдельный атом, но и раскрывает их соответствующие химические состояния. Хла подробно остановился на значении своих выводов, заявив:

"Мы также успешно определили химические состояния отдельных атомов. Сравнивая химические состояния атома железа и атома тербия внутри их соответствующих молекулярных хозяев, мы заметили, что атом тербия, будучи редкоземельным металлом, остается относительно изолированным и не претерпевает изменений в своем химическом состоянии. Напротив, атом железа проявляет сильное взаимодействие с окружающей средой".

Понимание атомов и их химических состояний на самом фундаментальном уровне позволит ученым манипулировать материалами с большей точностью, особенно редкоземельными металлами, которые преобладают почти во всех электронных устройствах. Благодаря таким достижениям эффективность этих материалов может быть значительно повышена.

По мере того как ученые упорно исследуют инновационные методы визуализации бесконечно малых величин, они одновременно раскрывают далеко идущие последствия этих революционных открытий.