科学者が世界初のXを報告

オハイオ大学、アルゴンヌ国立研究所、イリノイ大学シカゴ校などの科学者チーム（オハイオ大学物理学教授とアルゴンヌ国立研究所の科学者ソー・ワイ・フラ氏率いる）が、世界初のX線シグナルを撮影した（または SIGNATURE) は 1 つの原子のみです。 この画期的な成果は米国エネルギー省基礎エネルギー科学局から資金提供されており、科学者による物質の検出方法に革命をもたらす可能性があります。

X 線は、1895 年にレントゲンによって発見されて以来、健康診断から空港の保安検査に至るまで、あらゆる場所で使用されてきました。 NASA の火星探査機キュリオシティにも、火星の岩石の材料組成を調べるための X 線装置が装備されています。 科学における X 線の重要な用途は、サンプル内の物質の種類を識別することです。 シンクロトロン X 線源と新しい機器の開発のおかげで、X 線検出に必要なサンプル中の物質の量は長年にわたり大幅に減少してきました。 これまでのところ、サンプルを X 線で撮影できる最小量はアトグラムで、つまり約 10,000 個以上の原子です。 これは、原子から発生する X 線信号が非常に弱いため、従来の X 線検出器では検出できないためです。 Hla 氏によると、たった 1 個の原子を X 線で撮影することは科学者の長年の夢であり、現在、彼が率いる研究チームによってそれが実現されつつあります。

「原子は走査型プローブ顕微鏡で日常的に画像化できますが、X 線がなければ、原子が何でできているかを知ることはできません。現在では、特定の原子の種類を一度に 1 つずつ正確に検出できるようになり、同時に測定できるようになりました。その化学状態です」とオハイオ大学ナノスケール・量子現象研究所所長でもあるHla氏は説明した。 「それができれば、物質をたった 1 つの原子の極限まで追跡することができます。これは環境科学や医学に多大な影響を与え、もしかしたら人類に多大な影響を与える治療法も見つかるかもしれません。発見は世界を変えるでしょう。」

2023 年 5 月 31 日に科学雑誌 Nature (DOI 10.1038/s41586-023-06011-w) に掲載され、2023 年 6 月 1 日に科学雑誌の印刷版の表紙を飾った彼らの論文は、Hla といくつかの他の物理学者や化学者、博士号を含む。 オハイオ州の学生たちは、高度光子源のXTIPビームラインとアルゴンヌ国立研究所のナノスケール材料センターで専用のシンクロトロンX線装置を使用しました。

デモンストレーションのために、研究チームは鉄原子とテルビウム原子を選択し、両方ともそれぞれの分子ホストに挿入しました。 1つの原子のX線信号を検出するために、研究チームは、従来のX線検出器に、サンプルの極近くに配置された鋭い金属チップで作られた特殊な検出器を追加し、X線で励起された電子を収集しました。これはシンクロトロンとして知られる技術です。 X線走査トンネル顕微鏡またはSX-STM。 SX-STM の X 線分光法は、元素の指紋を構成するコアレベル電子の光吸収によって引き起こされ、材料の元素の種類を直接識別するのに効果的です。

Hla氏によると、スペクトルは指紋のようなもので、それぞれが固有であり、それが何であるかを正確に検出することができます。

「この研究で使用された技術と概念は、X線科学とナノスケール研究に新境地を開きました」と、論文の筆頭著者で博士号取得の一環としてこの研究を行っているTolulope Michael Ajayi氏は述べた。 論文。 「さらに、X 線を使用して個々の原子を検出して特性評価することは、研究に革命をもたらし、環境研究や医学研究における量子情報や微量元素の検出などの分野で新しい技術を生み出す可能性があります。この成果はまた、先進的な材料科学機器への道。」

過去 12 年間、Hla 氏は、アルゴンヌ国立研究所の先進光子源の科学者である Volker Rose 氏とともに、SX-STM 装置とその測定方法の開発に携わってきました。

「私は 12 年間にわたり、オハイオ州の 4 人の大学院生の SX-STM 手法開発に関する博士論文の指導に成功しました。私たちは単一原子 X 線の検出を達成するまで長い道のりを歩んできました。署名した」とHla氏は語った。

Hla の研究はナノおよび量子科学に焦点を当てており、基本レベル、つまり個々の原子ベースで材料の化学的および物理的特性を理解することに特に重点を置いています。 1 つの原子の X 線署名を達成することに加えて、チームの主な目標は、この技術を使用して 1 つの希土類原子に対する環境への影響を調査することでした。

「私たちは個々の原子の化学状態も検出しました」とHla氏は説明した。 「それぞれの分子ホスト内の鉄原子とテルビウム原子の化学状態を比較すると、希土類金属であるテルビウム原子はかなり孤立しており、化学状態が変化しない一方、鉄原子はその原子と強く相互作用していることがわかります。周囲。」

多くのレアアース材料は、例を挙げると、携帯電話、コンピューター、テレビなどの日常の機器に使用されており、テクノロジーの創造と進歩において非常に重要です。 この発見により、科学者は元素の種類だけでなくその化学状態も特定できるようになり、これによりさまざまな分野で絶えず変化するニーズを満たすために、さまざまな材料ホスト内の原子をより適切に操作できるようになります。 さらに、放射光X線を用いて単一分子の軌道が物質表面上でどのような方向を向いているかを検出できる「X線励起共鳴トンネリング（X-ERT）」と呼ばれる新しい手法も開発した。

「この成果は、シンクロトロンX線を量子トンネリングプロセスと結び付けて個々の原子のX線の特徴を検出し、シンクロトロンX線を使用したたった1つの原子の量子およびスピン（磁気）特性の研究を含む多くの刺激的な研究の方向性を切り開くものです。」フラは言いました。

アジャイに加えて、現在の博士号を含む他の数人のオハイオ州の大学院生がいます。 学生は物理学のシネス・プレマラトゥナ氏と化学のシンユエ・チェン氏、そして博士号を取得しています。 この研究には、物理​​学卒業生の Sanjoy Sarkar 氏、Shaoze Wang 氏、Kyaw Zin Latt 氏、Tomas Rojas 氏、および現在イリノイ大学シカゴ校で化学工学准教授を務める Anh T. Ngo 氏が参加しました。 芸術科学大学レーニク学部長兼化学教授エリック・マッソンは、この研究で使用されるレアアース分子を設計および合成しました。

今後も、Hla 氏と研究チームは、X 線を使用してたった 1 つの原子の特性を検出し、重要な材料研究などの収集に使用するアプリケーションをさらに革新する方法を見つけていきます。