Για πρώτη φορά μελετήθηκε ένα και μόνο άτομο με ακτίνες Χ
Μια ομάδα φυσικών καθοδηγούμενη από τον Saw Wai Hla συνέλαβε την ΥΠΟΓΡΑΦΗ ενός μόνο ατόμου, κάτι που κανείς μέχρι σήμερα δεν είχε καταφέρει. Αυτό το πρωτοποριακό επίτευγμα θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες ανιχνεύουν τα υλικά. Σύμφωνα με την εργασία τους [Characterization of just one atom using synchrotron X-rays] που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, χρησιμοποίησαν μια τεχνική που συνδυάζει την φασματοσκοπία ακτίνων Χ με τη μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας (STM=Scanning Tunneling Microscope) για να ταυτοποιήσουν δύο διαφορετικά μεμονωμένα άτομα.
Αφότου ανακαλύφθηκαν οι ακτίνες Χ από τον Roentgen το 1895, χρησιμοποιούνται παντού, από τα ακτινολογικά ιατρεία μέχρι τους ελέγχους ασφαλείας στα αεροδρόμια. Ακόμη και το Curiosity, το διαστημικό όχημα της NASA στον πλανήτη Άρη, είναι εξοπλισμένο με μια συσκευή ακτίνων Χ που εξετάζει την σύνθεση των βράχων στον Άρη.
Η τεχνική της φασματοσκοπίας ακτίνων Χ μπορεί όχι μόνο να ανιχνεύσει τα «δακτυλικά αποτυπώματα» συγκεκριμένων χημικών στοιχείων σε ένα δείγμα, αλλά επίσης να αποκαλύψει πληθώρα πληροφοριών σχετικά με τις χημικές καταστάσεις και τη δομική διάταξη των ατόμων στο δείγμα. Όμως, μέχρι τώρα χρειάζονταν χιλιάδες άτομα ή μάζα ενός attogram (10−18gr, περίπου 10.000 άτομα) δείγματος, για να ληφθεί ένα αρκετά καθαρό σήμα. Ο Saw-Wai Hla και η ομάδα του από το Πανεπιστήμιο του Ohio και του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne στο Illinois μπόρεσε, για πρώτη φορά, να μετρήσει τα φάσματα ακτίνων Χ μεμονωμένων ατόμων. Η ανακάλυψη επιτεύχθηκε με μια τεχνική που συνδυάζει τη φασματοσκοπία ακτίνων Χ με την κορυφαία τεχνική ανάλυσης ενός ατόμου – μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας (STM).
Συνήθως τα άτομα μπορούν να απεικονιστούν με μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας, αλλά χωρίς τις ακτίνες Χ κανείς δεν μπορεί να τα αναγνωρίσει. Σύμφωνα με τον Hla τώρα μπορούμε να ανιχνεύσουμε ακριβώς τον τύπο ενός συγκεκριμένου ατόμου, ένα άτομο κάθε φορά, και μπορούμε να μετρήσουμε ταυτόχρονα τη χημική του κατάσταση. Μπορούμε να ανιχνεύσουμε τα υλικά μέχρι το τελικό όριο ενός μόνο ατόμου. Αυτό θα έχει τεράστιο αντίκτυπο στις περιβαλλοντικές και ιατρικές επιστήμες – θα μπορούσε να αλλάξει τον κόσμο!
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν στα πειράματά τους ένα άτομο σιδήρου και ένα άτομο τερβίου, τα οποία εισήχθησαν σε αντίστοιχους μοριακούς ξενιστές. Για την ανίχνευση του σήματος ακτίνων Χ ενός ατόμου, η ερευνητική ομάδα βελτίωσε τους συμβατικούς ανιχνευτές ακτίνων Χ με έναν εξειδικευμένο ανιχνευτή κατασκευασμένο από μια μεταλλική αιχμή τοποθετημένη σε εξαιρετικα μικρή απόσταση από το δείγμα για την συλλογή διεγερμένων ηλεκτρονίων από ακτίνες Χ – μια τεχνική γνωστή ως μικροσκοπία συγχρότρου σάρωσης με ακτίνες Χ ή SX-STM, η οποία χρησιμοποιείται στην άμεση αναγνώριση του στοιχειακού τύπου των υλικών.
Σύμφωνα με τους Hla et al, τα φάσματα που λαμβάνονται με τη μέθοδο αυτή είναι σαν τα δακτυλικά αποτυπώματα – το καθένα είναι μοναδικό. Η χρήση ακτίνων Χ για την ανίχνευση και τον χαρακτηρισμό μεμονωμένων ατόμων θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην έρευνα και να γεννήσει νέες τεχνολογίες σε τομείς όπως για παράδειγμα η κβαντική πληροφορία ή η ανίχνευση ιχνοστοιχείων στην περιβαλλοντική και ιατρική έρευνα. Αυτό το επίτευγμα ανοίγει επίσης το δρόμο για προηγμένα όργανα της επιστήμης υλικών.
«Έχουμε ανιχνεύσει τις χημικές καταστάσεις μεμονωμένων ατόμων επίσης», λέει ο Hla. Με την σύγκριση των χημικών καταστάσεων ενός ατόμου σιδήρου και ενός ατόμου τερβίου εντός των αντίστοιχων μοριακών ξενιστών, διαπιστώνουμε ότι το άτομο τερβίου, ένα μέταλλο σπανίων γαιών, είναι μάλλον απομονωμένο και δεν αλλάζει τη χημική του κατάσταση, ενώ το άτομο σιδήρου αλληλεπιδρά έντονα με το περιβάλλον του.
Πολλά υλικά σπανίων γαιών χρησιμοποιούνται σε καθημερινές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα, υπολογιστές και τηλεοράσεις, για να αναφέρουμε μερικά, και είναι εξαιρετικά σημαντικά για τη δημιουργία και την πρόοδο της τεχνολογίας. Με τη νέα μέθοδο οι επιστήμονες μπορούν πλέον να αναγνωρίσουν όχι μόνο τον τύπο του στοιχείου αλλά και τη χημική του κατάσταση, κάτι που θα τους επιτρέψει να χειριστούν καλύτερα τα άτομα μέσα σε διαφορετικούς ξενιστές υλικών και να καλύψουν τις συνεχώς μεταβαλλόμενες ανάγκες σε διάφορους τομείς. Επιπλέον, έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο που ονομάζεται X-ERT (X-ray excited resonance tunneling), που τους επιτρέπει να ανιχνεύουν πώς τα τροχιακά ενός μόνο μορίου προσανατολίζονται σε μια επιφάνεια υλικού χρησιμοποιώντας ακτίνες Χ συγχρότρου.
Το επίτευγμα των Hla et al ανοίγει πολλές συναρπαστικές ερευνητικές κατευθύνσεις, συμπεριλαμβανομένης της έρευνας για τις κβαντικές ιδιότητες (σπιν) ενός μόνο ατόμου.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες:
1. Samantha Pelham, ‘Scientists report world’s first X-ray of a single atom in Nature‘
2. Matteo Rini, ‘X-Ray Spectroscopy of a Lone Atom‘
Κατηγορίες:ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ
physicsgg 
Πως είναι σίγουροι ότι το άτομο ειναι μοναδικό?
In the new work, the team studied two different elements, iron and terbium, which were each placed in a supramolecular complex that isolated the target atoms from other atoms of the same species. This design ensured that the measured tip current could be unambiguously ascribed to a single atom. As they scanned, for example, their tip along the length of a complex containing two terbium atoms, the researchers recorded x-ray spectra consistent with terbium’s “M edge” (which involves transitions of core electrons from 3d to 4f states). In a second experiment on another supramolecular complex, they detected iron’s “L edge” (which involves 2p-to-3d transitions) at points within an iron-carrying complex.