ثبت نخستین تصویر پرتو ایکس از یک اتم با «سوزن کوانتومی»

دانشمندان دانشگاه اوهایو برای اولین بار با استفاده از سوزن کوانتومی موفق به ثبت نخستین تصویر پرتو ایکس از یک اتم شده‌اند.

به گزارش آی‌مدتودی به نقل از ایسنا، گروهی از پژوهشگران به سرپرستی پروفسور سا وای لا (Saw Wai Hla) از دانشکده فیزیک دانشگاه اوهایو، اولین تصویر پرتو ایکس از یک اتم را به ثبت رسانده‌اند که به دانشمندان اجازه می‌دهد تا مواد و حالت‌های شیمیایی آنها را با وضوح بیشتری نسبت به قبل مطالعه کنند.

عکس گرفتن از اتم‌ها چیز جدیدی نیست. دانشمندان سال‌ها توانسته‌اند این کار را با میکروسکوپ‌های کاوشگر پویشی انجام دهند. میکروسکوپ‌های کاوشگر پویشی از یک نوک سوزنی با بار الکتریکی و اتمی تیز برای کاوش سطوح مواد در مقیاس نانو استفاده می‌کنند که به لطف فعل و انفعالات مکانیکی کوانتومی باعث می‌شود که الکترون‌ها بین نوک و اتم‌های روی سطح جریان پیدا کنند.

میکروسکوپ‌های کاوشگر پویشی(SPM:Scanning probe microscope) از یک کاوشگر(پراب) که بر روی نمونه حرکت می‌کند، برای بررسی سطح نمونه‌ها استفاده می‌کنند. با استفاده از این میکروسکوپ‌ها علاوه بر توپوگرافی سطح، می‌توان راجع به اصطکاک، مغناطش، خواص حرارتی و الاستیسیته‌ی سطح نیز اطلاعاتی بدست آورد که با استفاده از روش‌های دیگر قابل دستیابی نیستند. در این میکروسکوپ، نوک یک پراب سالم و ایده‌آل، بسیار تیز است، به طوری که در نوک آن تنها یک اتم جای می‌گیرد. بنابراین از حساسیت بسیار بالایی برخوردار است و به دلیل ابعاد بسیار کوچک خود می‌تواند در حد نانومتر، کوچکترین پستی یا بلندی‌ها را در سطح نمونه تشخیص دهد و با استفاده از تجهیزات و نرم افزارهای موجود در دستگاه، داده‌های بدست آمده را به صورت تصویر بر نمایشگر نمایش دهد.

بسیاری از میکروسکوپ‌های پراب پویشی می‌توانند تعداد زیادی از تصاویر را همزمان بگیرند. روش استفاده از این فعل و انفعالات برای به دست آوردن یک تصویر به طور کلی یک «حالت» خوانده می‌شود. وضوح با هر تکنیک مخلتف مقداری تفاوت می‌کند، اما بعضی از تکنیک‌ها به وضوح اتمی چشمگیری می‌رسند. این تا حد زیادی ناشی از این است که فعال کننده‌های فشار برقی بتوانند حرکت را با دقت در سطح اتمی یا حتی بهتر، در سطح الکترونی اجرا کنند.

اما مشکل همیشگی در استفاده از میکروسکوپ‌های کاوشگر پویشی، وضوح این تصاویر است. دانشمندان نه تنها می‌خواهند اتم‌ها را ببینند، بلکه می‌خواهند در مورد وضعیت شیمیایی آنها در مقیاس تک اتمی نیز بدانند و برای این کار، استفاده از پرتو ایکس مورد نیاز است، اما دستگاه‌های مبتنی بر پرتو ایکس فعلی تنها می‌توانند تا یک اتوگرام یا یک میلیونیم تریلیونم گرم را که از حدود 10 هزار اتم تشکیل شده است، تحلیل کنند. این مقدار در سطح اتمی زیاد نیست، اما هنوز برای دانشمندان بسیار زیاد است.

پژوهشگران دانشگاه اوهایو برای غلبه بر این مشکل، اتم‌های آهن و تربیوم را در ماتریسی از ابرمولکول‌های حلقه‌ای شکل جاسازی کردند. آنها سپس از تکنیکی به نام میکروسکوپ تونلی پویشی پرتو ایکس سنکروترون(SX-STM) استفاده کردند که مکانیک اساسی یک میکروسکوپ کاوشگر پویشی را با پرتو ایکس تولید شده توسط یک شتاب دهنده اتمی به نام سنکروترون ترکیب می‌کند.

این تجمیع، یک طیف پرتو ایکس تولید می‌کند که نحوه جذب پرتو ایکس توسط الکترون‌های ذکر شده در سطح هسته را ثبت می‌کند.

پروفسوری های لا می‌گوید: اتم‌ها را می‌توان به طور معمول با میکروسکوپ‌های کاوشگر پویشی تصویربرداری کرد، اما بدون پرتو ایکس نمی‌توان تشخیص داد که از چه چیزی ساخته شده‌اند.

او افزود: ما اکنون می‌توانیم دقیقاً نوع یک اتم خاص را شناسایی کنیم و می‌توانیم به طور همزمان حالت شیمیایی آن را اندازه‌گیری کنیم. زمانی که بتوانیم این کار را انجام دهیم، می‌توانیم مواد را تا حد نهایی یک اتم ردیابی کنیم. این تاثیر زیادی بر علوم محیطی و پزشکی خواهد داشت و شاید حتی درمانی پیدا کند که بتواند تأثیر زیادی برای بشریت داشته باشد؛ این کشف جهان را متحول خواهد کرد.

این پژوهش در مجله Nature منتشر شده است.