Физики впервые «сделали рентген» отдельным атомам

Первое изображение изолированного атома — 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.

«Мы можем определять вид одного конкретного атома и одновременно его химическое состояние. Это позволит изучать 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 используют сканирующие туннельные микроскопы. Такие инструменты «сканируют» специальным образом подготовленный образец с помощью зонда — тончайшей иглы, на которую подается заряд. Электроны срываются с кончика иглы, туннелируя между нею и поверхностью и создавая ток. С помощью математических преобразований характеристики этого тока превращают в готовую картинку.

Команда профессора Хла работает над рентгеновской версией такой системы — «синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопией» (SX-STM). Для этого образец просвечивают узким рентгеновским лучом, однако в дополнение к обычному детектору используют тончайшую металлическую иглу, расположенную максимально близко к нему.

Рентгеновские фотоны переводят электроны в атоме в возбужденное состояние. Они оказываются на более высоких орбиталях, что сразу отражается на токе между образцом и иглой, который возникает, когда электроны туннелируют на нее. В зависимости от состояния атома его электроны несут разную энергию и находятся на разных орбиталях, поглощая фотоны разной длины волны. Это позволяет различить не только сам атом, но и его химическое состояние.

Недавно ученые успешно опробовали новый метод SX-STM на практике. Они использовали рентгеновский источник APL Аргоннской национальной лаборатории, а объектами изучения стали ионы железа и тербия, скоординированные в супрамолекулярном комплексе. Он послужил для них своего рода «штативом», в центре которого были «закреплены» атомы.

«Мы смогли определить и химические состояния отдельных атомов. Сравнив их состояния в разных молекулярных комплексах, мы показали, что тербий — редкоземельный металл — остается сравнительно изолированным. <…> А вот железо заметно взаимодействует со своим окружением», — подытожил профессор Хла.