단일 원자의 X

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과학자들이 처음으로 단일 원자의 X선 신호를 측정했습니다. 이 노력은 네이처(Nature)지에 발표되었으며 오하이오 대학교, 아르곤 국립 연구소, 일리노이 대학교-시카고 대학교 등의 연구자를 포함한 다중 센터 팀에 의해 저술되었습니다. 이번 연구는 과학자들이 물질의 화학적 구성을 감지하는 방법에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

X-Ray는 부러진 뼈를 스캔하는 것부터 공항의 보안 위험을 탐지하는 것까지 다양한 분야에서 사용됩니다. 과학 연구에서 X선은 재료의 특성을 분석하는 데 사용됩니다. X선 싱크로트론의 출현과 같은 분석 장비의 발전으로 인해 정확한 판독값을 생성하는 데 필요한 샘플 크기가 줄어들었습니다. 현재 X선 분석에 필요한 물질의 최소량은 아토그램(attogram)으로, 이는 대략 10,000개 이상의 원자입니다. 새로운 발전은 탐지 능력의 단계적 변화를 나타냅니다.

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지금까지 아토그램 한계는 더 작은 원자량으로 생성되는 X선 신호의 약점으로 인해 존재했습니다. Argonne National Laboratory의 연구원이자 오하이오 대학의 물리학 교수인 Saw Wai Hla는 과학자들이 오랫동안 더 적은 수의 원자를 이미지화하는 기술을 목표로 삼아 왔다고 말했습니다. "원자는 주사 탐침 현미경으로 일상적으로 이미지를 얻을 수 있지만 X선이 없으면 원자가 무엇으로 구성되어 있는지 알 수 없습니다. 이제 우리는 한 번에 원자 하나씩 특정 원자의 유형을 정확히 감지할 수 있으며 동시에 화학 물질도 측정할 수 있습니다. 상태야." Hla가 말했습니다.

이 물리적 장벽 아래에서 궁지에 몰리기 위해 Hla와 팀은 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)의 나노크기 재료 센터(Centre for Nanoscale Materials)에 보관된 맞춤형 X선 싱크로트론을 사용했습니다.

논문에서 연구진은 철과 테르븀 원자의 신호를 특성화하여 기술을 선보였습니다. 연구진은 기존 엑스레이 장비에 특수 검출기를 추가했다. 이 보너스 스캐너에는 샘플 바로 옆에 날카로운 금속 막대가 배치되어 있습니다. 막대의 매우 근접한 위치 덕분에 샘플을 스캔할 때 생성된 여기 전자를 끌어올릴 수 있었습니다. 이 방법을 싱크로트론 X선 주사 터널링 현미경 또는 SX-STM이라고 합니다. 원자에서 방출되는 에너지는 핵심 물리적 특성과 연결되어 있습니다. 즉, 원자가 고유한 원소 "지문"을 나타내어 원자를 식별할 수 있다는 의미입니다.

이번 연구의 제1저자이자 박사과정 학생인 Tolulope Michael Ajayi는 "이 연구에서 사용된 기술과 입증된 개념은 X선 과학과 나노 규모 연구에 새로운 지평을 열었습니다."라고 말했습니다. "또한 X선을 사용하여 개별 원자를 감지하고 특성화하는 것은 연구에 혁명을 일으킬 수 있으며 양자 정보, 환경 및 의학 연구에서 미량 원소 감지와 같은 분야에서 새로운 기술을 탄생시킬 수 있습니다. 이 성과는 또한 첨단 재료 과학 계측을 위한 길입니다."

그런 다음 팀은 원자가 다른 분자 호스트 내부에 저장되어 어떻게 영향을 받는지 특성화했습니다. “우리는 희토류 금속인 테르븀 원자가 고립되어 있어 화학적 상태를 바꾸지 않는 반면 철 원자는 주변 환경과 강하게 상호작용한다는 사실을 발견했습니다.”라고 Hla는 말했습니다.

이 새로운 지식의 적용은 다양한 분야에 걸쳐 있습니다. 테르븀과 같은 희토류 금속은 TV, 전화기와 같은 일상 장치의 핵심 구성 요소일 뿐만 아니라 레이저 및 항공우주 합금과 같은 첨단 기술에도 사용됩니다. 새로운 발견을 통해 이러한 물질을 연구하는 과학자들은 환경에 의해 화학적 특성이 어떻게 변경되는지 더 잘 이해할 수 있으며, 이는 이러한 요소에 대한 더 많은 잠재적인 용도를 열어줄 것입니다.