Robert Klatt
Physiker haben mit einem speziellen Detektor erstmals ein Röntgenbild eines einzelnen Atoms erstellt. Zuvor konnten nur deutlich größere Objekte geröntgt werden.
Athens (U.S.A.). Ein Attogramm, also etwa 10.000 Atome, war bisher die kleinste Einheit, die man röntgen konnte. Einzelne Atome konnten hingegen nicht geröntgt werden, weil das von ihnen verursachte Röntgenstrahlensignal so schwach ist, dass es herkömmliche Detektoren nicht erkennen. Forscher der Ohio University um Saw-Wai Hla haben nun erstmals Röntgenaufnahme eines einzelnen Atoms erstellt.
„Atome können routinemäßig mit Raster-Sonden-Mikroskopen abgebildet werden, aber ohne Röntgenstrahlen kann man nicht bestimmen, woraus sie bestehen. Wir können nun genau den Typ eines bestimmten Atoms, ein Atom nach dem anderen, erkennen und gleichzeitig seinen chemischen Zustand messen.“
Die Wissenschaftler haben laut der Publikation im Fachmagazin Nature für ihre Experimente ein Eisen- und ein Terbium-Atom ausgewählt, welche jeweils in passende molekulare Wirte integriert wurden.
Zur Identifizierung des Röntgensignals eines Atoms implementierte das Forschungsteam einen besonderen Detektor, zusätzlich zu den gebräuchlichen Röntgendetektoren. Dieser spezielle Detektor setzte sich aus einer präzisen Metallspitze zusammen, die unmittelbar in der Nähe des Probenmaterials platziert wurde. Diese Anordnung ermöglichte es, die durch Röntgenstrahlung angeregten Elektronen aufzufangen, ein Verfahren, das als Synchrotron-Röntgen-Rastertunnelmikroskopie oder SX-STM bekannt ist.
Das Hauptziel der Physiker bestand neben der Messung der Röntgensignatur eines einzelnen Atoms darin, die Effekte der Umwelt auf Seltene-Erden-Atom zu untersuchen. Seltene-Erden werden in den meisten elektrischen Geräten verwendet. Die erprobten Methode ermöglichen es, die Atome innerhalb der diversen Materialien effektiver zu steuern, um sie an die unterschiedlichen technischen Anforderungen anpassen zu können.
„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.“
Die Erkenntnis könnte einen erheblichen Effekt auf Umwelt- und Gesundheitsforschung haben. Des Weiteren ermöglicht es die Entwicklung innovativer Technologien für Felder wie die Quanteninformationswissenschaft.
Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06011-w
