Wissenschaftler entdecken die Röntgensignatur eines einzelnen Atoms

Eine neue Technik kann die Röntgensignatur eines einzelnen Atoms erkennen und sogar die Struktur seiner Elektronenbahnen bestimmen.

Seit ihrer Entdeckung durch Wilhelm Conrad Röntgen im Jahr 1895 haben Röntgenstrahlen umfangreiche Anwendung in verschiedenen wissenschaftlichen, industriellen und technischen Bereichen gefunden. Diese weit verbreitete Nutzung ist auf ihre außergewöhnlich kurzen Wellenlängen im Bereich von 10 Nanometern bis 10 Pikometern zurückzuführen, die es Röntgenstrahlen ermöglichen, zahlreiche Materialien leicht zu durchdringen, die sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von Hunderten von Nanometern nicht durchdringen kann.

Wir alle kennen Röntgenstrahlen als diagnostisches Hilfsmittel in der Medizin, aber sie spielen auch eine wichtige Rolle in der Materialanalyse, wo Röntgenstrahlen verwendet werden können, um festzustellen, woraus ein bestimmtes Material besteht, oder um verschiedene Defekte in einem Material zu erkennen Probe.

Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler große Fortschritte in der Röntgendiagnostik gemacht und deren Genauigkeit erheblich verbessert. Allerdings gab es bis vor Kurzem eine Grenze für die Materialmenge, die mit Röntgenstrahlen gescannt werden konnte – etwa ein Attogramm, was etwa 10.000 Atomen oder mehr entspricht. Dies liegt daran, dass das von einer kleineren Materiemenge erzeugte Röntgensignal extrem schwach ist, was es für herkömmliche Röntgendetektoren schwierig macht, es zu erfassen.

Erstaunlicherweise scheint diese Einschränkung überwunden worden zu sein. In einer aktuellen Studie veröffentlicht in Naturein internationales Forscherteam unter der Leitung von Saw Wai Hla von der Ohio University und dem Argonne National Laboratory in den USA, hat eine Technik vorgestellt, die die Röntgensignatur eines einzelnen Atoms erkennen und sogar die Struktur seiner Elektronenbahnen bestimmen kann.

„Atome können routinemäßig mit Rastersondenmikroskopen abgebildet werden, aber ohne Röntgenstrahlen kann man nicht sagen, woraus sie bestehen. Wir können jetzt genau die Art eines bestimmten Atoms erkennen, ein Atom nach dem anderen, und gleichzeitig seinen chemischen Zustand messen“, sagte Hla in einem Pressemitteilung. „Sobald wir dazu in der Lage sind, können wir die Materialien bis zur letzten Grenze von nur einem Atom zurückverfolgen. Dies wird große Auswirkungen auf die Umwelt- und Medizinwissenschaften haben und möglicherweise sogar ein Heilmittel finden, das enorme Auswirkungen auf die Menschheit haben kann. Diese Entdeckung wird die Welt verändern.“

Verbesserung der Rastersondenmikroskopie

Rastersondenmikroskopie ist eine Methode zur Analyse der Oberfläche eines Materials mithilfe von Quantentunneln – dem Prozess, bei dem ein Teilchen eine Barriere passiert, die es nach der klassischen Physik nicht durchdringen sollte.

Diese Technik besteht darin, eine leitende Sonde über der Oberfläche des zu untersuchenden Materials zu platzieren. Die Sonde fungiert als „Sensor“ für die Elektronen, die an Atome in der Materialoberfläche gebunden sind, da diese Elektronen durch die winzigen Lücken zwischen der Sonde und der Oberfläche tunneln.

Verschiedene Atome haben Elektronenbahnen mit unterschiedlichen Formen und Größen. Wenn diese Elektronen in die Sonde tunneln, variiert die Intensität ihres Tunnelns abhängig von der spezifischen Elektronenbahn jedes Atoms, was zu unterschiedlichen Strömen innerhalb der Sonde führt. Durch das Scannen der Materialoberfläche mit dem Mikroskop und die Messung dieser Ströme können Wissenschaftler die Zusammensetzung des Materials entschlüsseln.

Die Autoren der aktuellen Studie gingen noch einen Schritt weiter und kombinierten die Rastersondenmikroskopie mit Röntgenstrahlen einer definierten Wellenlänge, die mit einem Gerät namens Synchotron erzeugt wurden. Wenn diese Röntgenstrahlen auf die Oberfläche des Materials treffen, werden sie von den Elektronen der Atome absorbiert, die nun mit erhöhter Energie auf höhere Umlaufbahnen springen können und so leichter in die Sonde des Mikroskops eindringen können.

Dadurch konnten die Physiker die Genauigkeit aktueller Messungen so steigern, dass sie einzelne Atome erkennen und sogar ihren chemischen Zustand bestimmen konnten, was diese Analysemethode deutlich leistungsfähiger machte.

„Diese Errungenschaft verbindet Synchrotron-Röntgenstrahlen mit dem Quantentunnelprozess, um die Röntgensignatur eines einzelnen Atoms zu erkennen, und eröffnet viele spannende Forschungsrichtungen, einschließlich der Erforschung der Quanten- und Spin-(magnetischen) Eigenschaften nur eines Atoms mithilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlen.“ sagte Hla.

Eine erste Sondierung

Um ihre Methode zu demonstrieren, platzierten die Wissenschaftler ein Atom Eisen und ein Atom Terbium in einer speziell präparierten organischen Substanz und konnten deren Positionen und chemischen Eigenschaften genau bestimmen. Sie fanden heraus, dass die Elektronenbahnen des Eisenatoms mit den Atomen in seiner Umgebung wechselwirkten, während die Elektronenbahnen des Terbiumatoms unverändert blieben.

Während es sich hierbei lediglich um vorläufige Sonden handelte, wurde Terbium ausgewählt, da es zu einer Gruppe von Elementen gehört, die als Seltenerdmetalle bezeichnet werden und in vielen elektronischen Geräten wie Smartphones, Computern und Fernsehern verwendet werden, um nur einige zu nennen. Ein tieferes Verständnis darüber, wie diese Elemente mit anderen Atomen interagieren, könnte sehr nützlich sein und möglicherweise zu Durchbrüchen in Bereichen wie der Quanteninformationstechnologie und der Kommunikation führen, in denen eine präzise Kontrolle der Zustände einzelner Atome und Moleküle von größter Bedeutung ist.

Die Fähigkeit, die Zusammensetzung von Materialien auf solch grundlegender Ebene genau zu analysieren und zu verstehen, eröffnet beispiellose Möglichkeiten. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese Methode das Potenzial hat, viele andere Bereiche zu revolutionieren, darunter die Medizin, die Umweltwissenschaften und unzählige andere, die auf präziser Materialanalyse und der Fähigkeit, die chemischen Eigenschaften einzelner Atome zu manipulieren, beruhen.

„Die verwendete Technik und das in dieser Studie bewährte Konzept haben neue Wege in der Röntgenwissenschaft und in Nanostudien eröffnet“, schlussfolgerte Tolulope Michael Ajayi von der Ohio University und dem Argonne National Laboratory, die Erstautorin der Studie.

„Darüber hinaus könnte der Einsatz von Röntgenstrahlen zur Erkennung und Charakterisierung einzelner Atome die Forschung revolutionieren und neue Technologien in Bereichen wie der Quanteninformation und dem Nachweis von Spurenelementen in der Umwelt- und medizinischen Forschung hervorbringen, um nur einige zu nennen“, fuhr er fort. „Dieser Erfolg ebnet auch den Weg für fortschrittliche Instrumente für die Materialwissenschaft.“

Referenz: Tolulope Michael Ajayi et al., Charakterisierung nur eines Atoms mittels Synchrotron-RöntgenstrahlungNature (2023), DOI: 10.1038/s41586-023-06011-w

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