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Forschung: Erstes Röntgenbild von einem einzelnen Atom

Bisher war die Röntgenemission eines einzelnen Atoms zu schwach, um es auf einer Röntgenaufnahme abzulichten. Mit einer neuen Technik geht das jetzt.



Eine US-amerikanische Forschungsgruppe hat die erste Röntgenaufnahme eines einzelnen Atoms gemacht. Bisher waren Wissenschaftler nur in der Lage, ein Attogramm, also etwa 10.000 Atome, zu röntgen. Der Grund dafür ist die schwache Röntgenemission eines einzelnen Atoms.

"Atome können routinemäßig mit Rastersonden-Mikroskopen abgebildet werden, aber ohne Röntgenstrahlen kann man nicht sagen, woraus sie bestehen", sagt Saw-Wai Hla laut einer Pressemitteilung seiner Universität. Er ist Mitautor der Studie und Physiker an der Ohio University und am Argonne National Laboratory.

Röntgenbildgebende Verfahren wie die Synchrotron-Strahlung werden in zahlreichen Disziplinen, darunter Kunst und Archäologie, eingesetzt. Jedoch war es bis vor kurzem nicht möglich, ein einzelnes Atom zu scannen. Besonders die Umwelt-, Material- und Medizinwissenschaften können von dieser Technik profitieren.

Eine neue Röntgenstrahltechnik bestimmt den chemischen Zustand von Atomen

"Wir können jetzt die Art eines bestimmten Atoms genau bestimmen, ein Atom nach dem anderen und gleichzeitig seinen chemischen Zustand messen. Sobald wir dazu in der Lage sind, können wir die Materialien bis zur äußersten Grenze von nur einem Atom zurückverfolgen", erklärt der Physiker.

Zur Demonstration wählte das Team ein Eisen- und ein Terbium-Atom, die beide in entsprechende molekulare Wirte eingefügt wurden. Um das Röntgensignal eines Atoms zu erkennen, ergänzte das Forschungsteam herkömmliche Röntgendetektoren mit einem speziellen Detektor. Dieser bestand aus einer scharfen Metallspitze, die in ex.tremer Nähe zur Probe positioniert wurde. Dadurch können die röntgenangeregten Elektronen eingesammelt werden – eine Technik, die als Synchrotron-Röntgen-Rastertunnelmikroskopie oder SX-STM bekannt ist.

Einzelne Atome können nun manipuliert werden

Neben der Erlangung der Röntgensignatur eines Atoms bestand das Hauptziel des Teams darin, mit dieser Technik die Auswirkungen der Umwelt auf ein einzelnes Seltene-Erden-Atom zu untersuchen.

"Durch den Vergleich der chemischen Zustände eines Eisen- und eines Terbium-Atoms in den jeweiligen molekularen Wirten stellen wir fest, dass das Terbium-Atom – ein Seltenerdmetall – eher isoliert ist und seinen chemischen Zustand nicht ändert, während das Eisen-Atom stark mit seiner Umgebung interagiert", erklärt Hla. Mit dieser Technik können die Forscher also die chemischen Zustände einzelner Atome nachweisen.

Viele Seltene-Erden-Materialien werden in alltäglichen Geräten wie Mobiltelefonen oder Computern verbaut. Mit der erprobten Technik können die Forschenden die Atome in den verschiedenen Materialien besser manipulieren, um sie den sich ständig ändernden Anforderungen in verschiedenen Bereichen anzupassen.

Zur Studie

Die Studie ist am 31. Mai 2023 im Fachmagazin Nature unter dem Titel Characterization of just one atom using synchrotron X-rays (Charakterisierung eines einzigen Atoms mit Synchrotron-Röntgenstrahlen) erschienen. Sie wurde von einer Forschungsgruppe der Universität Ohio, des Argonne National Laboratory und der Universität von Illinois-Chicago veröffentlicht.

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