Ученые США впервые получили информацию о состоянии одиночного атома, объединив туннельную микроскопию с синхротронным рентгеновским излучением. Новый метод позволяет определить тип конкретного атома за один раз, а также измерить его химическое состояние. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature.
До сих пор наименьший масштаб, который можно было бы охарактеризовать с помощью рентгеновского излучения, включает 10 тысяч атомов или более. Это связано с тем, что рентгеновский сигнал, создаваемый атомами, чрезвычайно слаб, поэтому обычные детекторы не могут быть использованы для его выявления. Новый подход нацелен на регистрацию токов, генерируемых при облучении атомов рентгеновским излучением.
В ходе эксперимента ученые нацелились на атом железа и атом тербия в составе комплексных соединений, то есть к атому металла присоединены органические молекулы — лиганды. Обычные рентгеновские детекторы были дополнены детектором, состоящим из острого металлического наконечника, расположенного в непосредственной близости от образца для сбора возбужденных синхротронным рентгеновским излучением электронов. Этот метод известен под названием синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопии, или SX-STM.
Существует два режима измерения SX-STM: туннельный и дальнее поле. В первом режиме игла расположена над образцом в области туннелирования, на расстоянии около 0,5 нанометра. В режиме дальнего поля игла располагается на расстоянии около пяти нанометров от образца, что находится вне зоны туннелирования, и в измерения вносят вклад только электроны, выброшенные под воздействием рентгеновского излучения.
С помощью нового метода ученым удалось не только определить тип атомов, но и выявить их химические состояния. Оказалось, что атом тербия, редкоземельного металла, довольно изолирован и не меняет своего химического состояния, в то время как атом железа тесно взаимодействует с его окружением.