単一原子の X

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科学者たちは、単一原子からの X 線の特徴を初めて測定しました。 この取り組みは『Nature』誌に掲載され、オハイオ大学、アルゴンヌ国立研究所、イリノイ大学シカゴ校などの研究者を含む多施設チームによって執筆されました。 この研究は、科学者が材料の化学組成を検出する方法に大きな影響を与える可能性があります。

X 線は、骨折のスキャンから空港のセキュリティリスクの検出まで、さまざまな分野で使用されています。 科学研究では、X 線は材料の特性を分析するために使用されます。 X 線シンクロトロンの出現など、分析機器の進歩により、正確な読み取りを行うために必要なサンプル サイズが減少しました。 現在、X 線分析に必要な物質の最小量はアトグラムであり、これはおよそ 10,000 原子以上です。 新たな進歩は、私たちの検出能力の段階的な変化を表しています。

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これまで、より小さな原子量によって生成される X 線信号の弱さのために、アトグラム限界が存在していました。 アルゴンヌ国立研究所の研究者でオハイオ大学物理学教授のソー・ワイ・フラ氏は、科学者たちはより少数の原子を画像化する技術を長い間目指してきたと語った。 「原子は走査型プローブ顕微鏡で日常的に画像化できますが、X 線がなければ、原子が何でできているかを知ることはできません。現在では、特定の原子の種類を一度に 1 つずつ正確に検出できるようになり、同時にその化学物質を測定できるようになりました。州」とHla氏は語った。

この物理的障壁の下で動けなくなるために、Hla 氏とチームは、アルゴンヌ国立研究所のナノスケール材料センターに設置されている特注の X 線シンクロトロンを使用しました。

論文の中で研究者らは、鉄とテルビウム原子からの信号を特徴付けることで自分たちの技術を披露した。 研究者らは従来のX線装置に特殊な検出器を追加した。 このボーナス スキャナには、サンプルのすぐ隣に鋭い金属棒が配置されていました。 ロッドが非常に接近しているため、サンプルをスキャンしたときに生成される励起電子をロッドが舞い上げることができました。 この方法は、シンクロトロン X 線走査トンネル顕微鏡または SX-STM と呼ばれます。 原子から放出されるエネルギーは、原子の核となる物理的特性に関連付けられており、原子が固有の元素の「指紋」を表し、原子を識別できるようになります。

「この研究で使用された技術と実証されたコンセプトは、X線科学とナノスケール研究に新たな境地を切り開きました」と博士課程の学生でこの研究の筆頭著者であるTolulope Michael Ajayi氏は述べた。 「さらに、X 線を使用して個々の原子を検出して特性評価することは、研究に革命をもたらし、環境研究や医学研究における量子情報や微量元素の検出などの分野で新しい技術を生み出す可能性があります。この成果はまた、先進的な材料科学機器への道。」

研究チームはさらに、原子が異なる分子ホスト内に保管されることによってどのような影響を受けるかを特徴づけた。 「希土類金属であるテルビウム原子はかなり孤立しており、化学状態が変化しない一方、鉄原子は周囲と強く相互作用していることがわかりました」とHla氏は述べた。

この新しい知識の応用は多くの分野に及びます。 テルビウムのような希土類金属は、テレビや電話などの日常機器の重要なコンポーネントであるだけでなく、レーザーや航空宇宙合金などの先端技術でも使用されています。 この新たな発見により、これらの材料を扱う科学者は、それらの化学的特性が環境によってどのように変化するかをより深く理解できるようになり、これらの元素の用途がさらに広がるはずです。

さらに、チームは X 線励起共鳴トンネル (X-ERT) と呼ばれる新しい技術を考案しました。 この方法により、放射光 X 線を使用して材料表面上の孤立分子軌道方位を検出できます。

「この成果は、シンクロトロン X 線を量子トンネリング プロセスと結び付けて個々の原子の X 線の特徴を検出し、シンクロトロン X 線を使用した 1 つの原子の量子およびスピン (磁気) 特性の研究を含む多くの刺激的な研究の方向性を切り開きます。 」とHlaさんは言いました。

Hla氏は「これは環境科学と医学に多大な影響を与え、もしかしたら人類に大きな影響を与える治療法も見つかるかもしれない。この発見は世界を変えるだろう。」と結論づけた。

参考文献: Ajayi TM、Shirato N、Rojas T、他。 放射光 X 線を使用した、たった 1 つの原子の特性評価。 自然。 2023;618(7963):69-73。 土井:10.1038/s41586-023-06011-w

この記事は、オハイオ大学が発行したプレスリリースを再編集したものです。 資料は長さと内容が編集されています。