Assemblaggi di strutture molecolari formati da sei atomi di rubidi e un atomo di ferro. La miscroscopia a scansione ha rilevato il chiaro segnale di un atomo di ferro. Credits: Ajayi et al. 2023
Da quando i raggi X sono stati scoperti, nel 1895, non hanno smesso di sorprenderci grazie alle molte applicazioni pratiche che si possono ottenere: dalla medicina alla scienza dei materiali, fino alla ricerca nel campo delle tecnologie quantistiche e dell’ambiente.
I raggi X sono utilizzati anche per comprendere la disposizione di atomi e molecole. Tuttavia, poiché i raggi X avrebbero la distribuzione delle lunghezze d’onda paragonabile alle dimensioni di un atomo, da molto tempo si cercava di ridurre la quantità di materiale da studiare per arrivare a caratterizzare lo stato elementare e chimico proprio di un solo singolo atomo. Quella minuscola particella alla base di tutta la materia ordinaria, la cui comprensione ci permette di svelare i misteri dell’Universo più grande.
In un nuovo studio pubblicato su Nature (abstract qui), un gruppo di ricercatori dell’università dell’Ohio e dell’Argonne National Laboratory dell’Università dell’Illinois-Chicago, guidati dal professore di fisica Tolulope Ajayi e dallo scienziato Saw-Wai Hla, ha superato questa sfida. Ha ottenuto la prima radiografia di un singolo atomo, sostituendo ai normali rivelatori convenzionali un rivetatore specializzato, costituito da una punta metallica affilata posizionata in estrema prossimità del campione, per raccogliere gli elettroni eccitati dai raggi X.
Questa tecnica è nota come microscopia a effetto tunnel a scansione di raggi X di sincrotrone (SX-STM). Gli elettroni vengono prima di tutto accelerati circolarmente, fino a essere altamente energetici. Poi si sfrutta una tecnica nota come “microscopia a scansione di sonda”, per far interagire la sonda conduttrice a punta affilata con gli elettroni del materiale.
La radiazione X così amplificata, eccita il campione, e il rivelatore puntiforme raccoglie i fotoelettroni risultanti. Più ci si avvicina all’atomo, più la posizione degli elettroni è incerta e spalmata tra lo spazio del materiale e della sonda: lo stato dell’atomo può quindi essere misurato dalla corrente risultante.
La spettroscopia in SX-STM è utile per identificare direttamente il tipo di costituenti dei materiali. Per questo esperimento, i ricercatori hanno assemblato ioni di ferro e di terbio, entrambi inseriti all’interno di un anello molecolare. Questi campioni sono stati poi sottoposti a SX-STM.
La radiazione rilevata differirà da quella incidente sul campione, perché alcune lunghezze d’onda sono state assorbite dagli elettroni del nucleo atomico. Possiamo così osservare linee più scure sullo spettro dei raggi X ricevuti che, secondo i ricercatori, sarebbero coerenti con le lunghezze d’onda assorbite dal ferro e dal terbio. Il dottor Hla ha affermato:
Gli atomi possono essere regolarmente ripresi con i microscopi a scansione di sonda, ma senza raggi X non si può dire di cosa sono fatti. Ora possiamo rilevare esattamente il tipo di un particolare atomo, un atomo alla volta e possiamo simultaneamente misurare il suo stato chimico.
Secondo il team, questi spettri sono come impronte digitali dei singoli costituenti elementari. Confrontando gli stati chimici dell’atomo di ferro con quelli di terbio all’interno dei rispettivi ospiti, gli scienziati hanno trovato che il secondo è piuttosto isolato e non cambia il suo stato chimico, mentre il ferro interagisce fortemente con ciò che lo circonda.
Per l’atomo di ferro ci si aspettava che il segnale a raggi X potesse essere rilevato solo quando la punta della sonda si trovava esattamente sopra di esso, in una posizione estremamente ravvicinata. Questo sarebbe una dimostrazione del rilevamento nel regime di tunneling, un fenomeno puramente quantistico. Riguardo ciò, i ricercatori hanno detto: “Il nostro lavoro apre futuri esperimenti sui raggi X, per caratterizzazioni simultanee delle proprietà elementari e chimiche dei materiali al limite ultimo del singolo atomo”.
Molti materiali come quelli utilizzati nello studio sono utilizzati in dispositivi che usiamo quotidianamente, come cellulari, televisioni, computer. L’aver prodotto una vera e propria radiografia di un atomo è un risultato rivoluzionario per la rilevazione dei materiali sulla scala del singolo atomo, ma anche per le sue implicazioni nella comprensione sempre più profonda dell’Universo in cui viviamo.