Los científicos toman la primera X del mundo

Saw-Wai Hla/Naturaleza

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La primera radiografía del mundo de un solo átomo está aquí, y cómo.

Un nuevo estudio realizado por científicos del Laboratorio Nacional Argonne de la Universidad de Ohio y la Universidad de Illinois-Chicago reveló la imagen alucinante de las propiedades de un solo átomo, utilizando solo la técnica de rayos X, según un comunicado de prensa.

Desde que se descubrieron los rayos X a fines del siglo XIX, han sido una herramienta esencial en muchos campos. Su capacidad para penetrar la materia los hace muy útiles para obtener imágenes en medicina, investigación de materiales, arqueología y astrofísica. Los rayos X son un tipo de radiación electromagnética que tiene una energía muy alta y una longitud de onda corta.

Sin embargo, las técnicas tradicionales de detección de rayos X se basan en la interacción de los rayos X con muchos átomos en una muestra para generar una señal detectable. Esto se debe a que la señal producida por un solo átomo es débil y difícil de distinguir del ruido de fondo.

El punto de referencia anterior para la cantidad más pequeña que se puede radiografiar era de 10.000 átomos y, en comparación, este logro es innovador. Potencialmente, podría revolucionar la forma en que los científicos e investigadores detectan materiales.

El equipo eligió un átomo de hierro y terbio para tomar la radiografía de un solo átomo.

Los detectores de rayos X convencionales se modificaron utilizando una punta de metal afilada, en combinación con un microscopio de túnel de barrido de rayos X sincrotrón (SX-STEM), utilizado principalmente para la obtención de imágenes a nanoescala y la caracterización de materiales, para detectar los electrones excitados por rayos X de los átomos individuales.

En términos simples, SX-STM permite a los científicos usar rayos X para ver los elementos dentro de un material y comprender su composición química. Esto se hace excitando (o dando energía) a los electrones en el núcleo de un átomo. Cuando estos electrones absorben los rayos X y se excitan, producen una huella digital única. Esta huella digital, llamada espectro de absorción, ayuda a los científicos a identificar el tipo de elementos presentes en el material que se está estudiando.

El equipo encontró que los espectros de absorción de rayos X revelaron huellas dactilares únicas correspondientes a los átomos de hierro y terbio.

El equipo también utilizó túneles de resonancia excitados por rayos X (X-ERT) para caracterizar los estados químicos de los átomos. Descubrieron que el X-ERT para el átomo de hierro era dominante, lo que revelaba información sobre la reactividad y las interacciones del átomo.

Curiosamente, los investigadores notaron que la señal de rayos X solo podía detectarse cuando la punta especializada se colocaba muy cerca del átomo. Esto confirmó que la detección estaba muy localizada y centrada en el átomo de interés, lo que permitió una caracterización y un análisis detallados de las propiedades y el comportamiento del átomo.

"Este logro conecta los rayos X de sincrotrón con el proceso de tunelización cuántica para detectar la firma de rayos X de un átomo individual y abre muchas direcciones de investigación interesantes, incluida la investigación sobre las propiedades cuánticas y de espín (magnéticas) de un solo átomo utilizando rayos X de sincrotrón. ”, dijo el profesor Saw Wai Hla, investigador principal, en un comunicado de prensa.

Su investigación fue publicada en la revista Nature.

Resumen del estudio:

Desde el descubrimiento de los rayos X por Roentgen en 1895, su uso ha sido omnipresente, desde aplicaciones médicas y ambientales hasta ciencias de los materiales. La caracterización por rayos X requiere una gran cantidad de átomos y la reducción de la cantidad de material es un objetivo de larga data. Aquí mostramos que los rayos X se pueden utilizar para caracterizar el estado elemental y químico de un solo átomo. Usando una punta especializada como detector, se detectan corrientes excitadas por rayos X generadas a partir de un átomo de hierro y terbio coordinado con ligandos orgánicos. Las huellas dactilares de un solo átomo, las señales del borde de absorción L2,3 y M4,5 para hierro y terbio, respectivamente, se observan claramente en los espectros de absorción de rayos X. Los estados químicos de estos átomos se caracterizan por medio de señales de absorción de rayos X de borde cercano, en las que el túnel de resonancia excitado por rayos X (X-ERT) es dominante para el átomo de hierro. La señal de rayos X se puede detectar solo cuando la punta se encuentra directamente sobre el átomo en una proximidad extrema, lo que confirma la detección atómicamente localizada en el régimen de efecto túnel. Nuestro trabajo conecta los rayos X de sincrotrón con un proceso de tunelización cuántica y abre futuros experimentos de rayos X para caracterizaciones simultáneas de las propiedades elementales y químicas de los materiales en el límite último de un solo átomo.