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Logran la primera radiografía de la historia de un solo átomo
También desarrollaron un nuevo método llamado 'tunelización de resonancia excitada por rayos X', que permite detectar cómo los orbitales de una sola molécula se orientan en una superficie material.
Un equipo de científicos de varias instituciones estadounidenses tomó la primera radiografía de la historia de un solo átomo (su firma). Desde hace muchos años, los investigadores han estado trabajando en reducir la cantidad de átomos necesarios para detectar la débil señal de rayos X que puede emitir un átomo. Hasta la fecha, la cantidad más pequeña de átomos que podía ser radiografiada eradel orden de unos 10.000.
"Los átomos se pueden visualizar de forma rutinaria con microscopios de sonda de barrido, pero sin rayos X no se puede decir de qué están hechos. Ahora podemos detectar exactamente el tipo de átomo en particular, un átomo a la vez, y podemos medir simultáneamente su estado químico", explicó Saw Wai Hla, científico del Laboratorio Nacional de Argonne (EE.UU.) y uno de los autores principales de este estudio. "Una vez que podamos hacer eso, podremos rastrear los materiales hasta el límite final de un solo átomo. […] Este descubrimiento transformará el mundo", subrayó Hla.
Los especialistas utilizaron un instrumento de rayos X de sincrotrón especialmente diseñado en la línea de luz XTIP de la fuente avanzada de fotones del Laboratorio Nacional de Argonne. Se eligió un átomo de hierro y un átomo de terbio. Para detectar la señal de rayos X se complementaron los detectores convencionales de rayos X con un detector especializado hecho de una punta de metal afilada colocada muy cerca de la muestra. La técnica se denomina microscopía de túnel de exploración de rayos X del sincrotrón (SX-STM, por sus siglas en inglés).
La espectroscopia de rayos X en SX-STM se desencadena por la fotoabsorción de los electrones del nivel del núcleo, lo que constituye huellas dactilares elementales, y es eficaz para identificar directamente el tipo elemental de los materiales. El artículo que describe esta investigación fue publicado, este miércoles, en Nature.
Las perspectivas de utilización
"La técnica utilizada y el concepto probado en este estudio abrió nuevos caminos en la ciencia de rayos X y los estudios a nanoescala", comentó Tolulope Michael Ajayi, el primer autor del artículo. "Más aún, el uso de rayos X para detectar y caracterizar átomos individuales podría revolucionar la investigación y generar nuevas tecnologías en áreas como la información cuántica y la detección de elementos traza en la investigación médica y ambiental, por nombrar algunas. Este logro también abre el camino para la instrumentación avanzada de ciencia de materiales", enfatizó.
"También hemos detectado los estados químicos de los átomos individuales", explicó Hla. "Al comparar los estados químicos de un átomo de hierro y un átomo de terbio dentro de los respectivos anfitriones moleculares, encontramos que el átomo de terbio, un metal de tierras raras, está bastante aislado y no cambia su estado químico mientras que el átomo de hierro interactúa fuertemente con su circundante", destacó el especialista.
A través de este descubrimiento, se pueden identificar no solo el tipo de elemento, sino también su estado químico, lo que les permitirá manipular mejor los átomos para satisfacer las necesidades de varios campos. Además, han desarrollado un nuevo método llamado 'tunelización de resonancia excitada por rayos X' o X-ERT, que les permite detectar cómo los orbitales de una sola molécula se orientan en una superficie material utilizando rayos X de sincrotrón.
"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", concluyó Hla.
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