Erstes Röntgenbild eines einzelnen Atoms

Juni 5, 2023

Ein Team von Wissenschaftlern der Ohio University, des Argonne National Laboratory, der University of Illinois-Chicago und anderen unter der Leitung von Saw Wai Hla, Professor für Physik an der Ohio University und Wissenschaftler am Argonne National Laboratory, hat das weltweit erste Röntgen-SIGNAL (oder SIGNATURE) von nur einem Atom aufgenommen. Diese bahnbrechende Errungenschaft wurde vom U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, finanziert und könnte die Art und Weise revolutionieren, wie Wissenschaftler Materialien nachweisen.

Seit ihrer Entdeckung durch Roentgen im Jahr 1895 werden Röntgenstrahlen überall eingesetzt, von medizinischen Untersuchungen bis hin zu Sicherheitskontrollen an Flughäfen. Sogar Curiosity, der Marsrover der NASA, ist mit einem Röntgengerät ausgestattet, um die Materialzusammensetzung der Gesteine auf dem Mars zu untersuchen. Eine wichtige Anwendung von Röntgenstrahlen in der Wissenschaft ist die Identifizierung der Art der Materialien in einer Probe.

Im Laufe der Jahre hat sich die Menge der Materialien in einer Probe, die für den Röntgennachweis erforderlich ist, dank der Entwicklung von Synchrotron-Röntgenstrahlungsquellen und neuen Instrumenten stark verringert. Bis heute ist die kleinste Menge, die man in einer Probe röntgen kann, ein Attogramm, d. h. etwa 10.000 Atome oder mehr. Das liegt daran, dass das von einem Atom erzeugte Röntgensignal extrem schwach ist, so dass es mit den herkömmlichen Röntgendetektoren nicht erfasst werden kann. Laut Hla ist es ein lang gehegter Traum von Wissenschaftlern, nur ein einziges Atom zu röntgen, den das von ihm geleitete Forscherteam nun verwirklicht.

„Atome können routinemäßig mit Rastersondenmikroskopen abgebildet werden, aber ohne Röntgenstrahlen kann man nicht sagen, woraus sie bestehen. Wir können nun die Art eines bestimmten Atoms genau bestimmen, ein Atom nach dem anderen, und gleichzeitig seinen chemischen Zustand messen“, erklärt Hla, der auch Direktor des Nanoscale and Quantum Phenomena Institute an der Ohio University ist.

„Sobald wir dazu in der Lage sind, können wir die Materialien bis zur äußersten Grenze von nur einem Atom zurückverfolgen. Dies wird große Auswirkungen auf die Umwelt- und Medizinwissenschaften haben und vielleicht sogar ein Heilmittel finden, das für die Menschheit von großer Bedeutung sein kann. Diese Entdeckung wird die Welt verändern“.

Ihre Arbeit, die am 31. Mai 2023 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde und am 1. Juni 2023 die Titelseite der gedruckten Ausgabe der Fachzeitschrift ziert, beschreibt, wie Hla und mehrere andere Physiker und Chemiker, darunter auch Doktoranden von OHIO, ein speziell gebautes Synchrotron-Röntgengerät an der XTIP-Beamline der Advanced Photon Source und des Center for Nanoscale Materials am Argonne National Laboratory verwendeten.

Zur Demonstration wählte das Team ein Eisen- und ein Terbium-Atom, die beide in entsprechende molekulare Wirte eingesetzt wurden. Um das Röntgensignal eines Atoms zu detektieren, ergänzte das Forschungsteam herkömmliche Röntgendetektoren mit einem speziellen Detektor, der aus einer scharfen Metallspitze besteht, die in extremer Nähe zur Probe positioniert wird, um röntgenangeregte Elektronen zu sammeln – eine Technik, die als Synchrotron-Röntgen-Rastertunnelmikroskopie oder SX-STM bekannt ist. Die Röntgenspektroskopie in SX-STM wird durch die Photoabsorption von Kernniveauelektronen ausgelöst, die elementare Fingerabdrücke darstellen und die Elementart der Materialien direkt identifizieren können.

Hla zufolge sind die Spektren wie Fingerabdrücke, von denen jeder einzigartig ist und genau erkennen lässt, um welches Element es sich handelt.

„Die verwendete Technik und das in dieser Studie bewiesene Konzept sind ein Novum in der Röntgenwissenschaft und bei Studien im Nanomaßstab“, so Tolulope Michael Ajayi, Erstautor der Studie, der diese Arbeit im Rahmen seiner Doktorarbeit durchführte. „Der Einsatz von Röntgenstrahlen zum Nachweis und zur Charakterisierung einzelner Atome könnte 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. Diese Errungenschaft ebnet auch den Weg für fortschrittliche materialwissenschaftliche Instrumente“.

In den letzten 12 Jahren war Hla zusammen mit Volker Rose, einem Wissenschaftler an der Advanced Photon Source am Argonne National Laboratory, an der Entwicklung eines SX-STM-Instruments und seiner Messmethoden beteiligt.

„Ich konnte über einen Zeitraum von 12 Jahren vier OHIO-Doktoranden bei ihren Doktorarbeiten im Zusammenhang mit der Entwicklung von SX-STM-Methoden erfolgreich betreuen. Wir haben einen langen Weg zurückgelegt, bis wir die Röntgensignatur eines einzelnen Atoms nachweisen konnten“, so Hla.

Hla’s Studie konzentriert sich auf Nano- und Quantenwissenschaften mit besonderem Schwerpunkt auf dem Verständnis der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Materialien auf fundamentaler Ebene – auf der Basis eines einzelnen Atoms. Neben der Erlangung der Röntgensignatur eines Atoms bestand das Hauptziel des Teams darin, mit dieser Technik die Auswirkungen der Umwelt auf ein einzelnes Seltene-Erden-Atom zu untersuchen.

„Wir haben auch die chemischen Zustände der einzelnen Atome nachgewiesen“, erklärt Hla. „Durch den Vergleich der chemischen Zustände eines Eisen- und eines Terbium-Atoms in den jeweiligen molekularen Wirten stellen wir fest, dass das Terbium-Atom, ein Seltenerdmetall, eher isoliert ist und seinen chemischen Zustand nicht ändert, während das Eisen-Atom stark mit seiner Umgebung interagiert.“

Viele Seltene-Erden-Materialien werden in alltäglichen Geräten wie Mobiltelefonen, Computern und Fernsehern, um nur einige zu nennen, verwendet und sind äußerst wichtig für die Entwicklung und den Fortschritt der Technologie. Dank dieser Entdeckung können die Wissenschaftler nun nicht nur die Art des Elements, sondern auch seinen chemischen Zustand bestimmen, was es ihnen ermöglichen wird, die Atome in den verschiedenen Materialien besser zu manipulieren, um den sich ständig ändernden Anforderungen in verschiedenen Bereichen gerecht zu werden. Darüber hinaus haben sie eine neue Methode namens „X-ray excited resonance tunneling“ (X-ERT) entwickelt, mit der sie die Orientierung der Orbitale eines einzelnen Moleküls auf einer Materialoberfläche mithilfe von Synchrotron-Röntgenstrahlen nachweisen können.

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

Neben Ajayi waren mehrere andere OHIO-Absolventen, darunter die derzeitigen Doktoranden Sineth Premarathna (Physik) und Xinyue Cheng (Chemie), sowie die ehemaligen Doktoranden Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas und Anh T. Ngo, derzeit außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der University of Illinois-Chicago, an dieser Forschung beteiligt. Eric Masson, Roenigk-Lehrstuhlinhaber und Professor für Chemie am College of Arts and Sciences, entwickelte und synthetisierte das in dieser Studie verwendete Seltenerdmolekül.

In Zukunft werden Hla und sein Forschungsteam weiterhin Röntgenstrahlen einsetzen, um Eigenschaften von nur einem Atom zu erkennen und Wege zu finden, ihre Anwendungen für die Forschung an kritischen Materialien und mehr zu revolutionieren.