物理学者が初めて単一原子のX線撮影に成功

X 線は、骨折や歯をスキャンするために体内を通過する、奇妙で弱い放射性の波であると思われるかもしれません。X 線画像を撮影すると、医療専門家は基本的にそれを使用してあなたの体の特徴を調べます。

多くの科学者が、非常に似たような役割で X 線を使用しています。ただし、対象が異なるだけです。生物をスキャンする代わりに (高出力の研究用 X 線にさらされると、おそらく長くは生きられないでしょう)、分子や物質をスキャンします。これまで、科学者は一連の原子を X 線で撮影し、それが何であるかを理解し、特定の化学反応でそれらの原子がどのように反応するかを予測してきました。

しかし、これまでは誰も個々の原子をX線で撮影できなかった。物理学者たちは、水曜日にネイチャー誌に発表した研究で、X線を使って2つの異なる単一原子の内部を研究した。

「X線は、実にさまざまな方法で利用されてきました」と、オハイオ大学とアルゴンヌ国立研究所の物理学者で、論文の著者でもあるソーワイ・フラ氏は言う。「しかし、人々が知らないことは驚くべきものです。これまでは、原子1個を測定することはできませんでした。」

アトミックスナップショットを超えて

原子の特性を調べるということは、単にその写真を撮るということではありません。科学者が初めてそれを行ったのは、1955 年まで遡ります。1980 年代以降、原子写真家が好んで使うツールは走査型トンネル顕微鏡 (STM) です。STM の鍵となるのは、細菌ほどの大きさの先端です。科学者が先端を原子の表面から髪の毛の幅の 100 万分の 1 だけ動かすと、電子がその間の空間を通り抜け、電流が発生します。先端がその電流を検知し、顕微鏡がそれを画像に変換します (STM では原子をドラッグ アンド ドロップすることもできます。1989 年、IBM の 2 人の科学者がキセノン原子で「IBM」という文字を綴り、最初の STM アーティストになりました)。

しかし、実際に原子の特性を明らかにすること、つまり、孤立した物体をスキャンし、それを元素ごとに分類し、その特性を解読し、それが化学反応でどのように動作するかを理解することは、はるかに複雑な作業です。

X 線により、科学者はより多くの原子群の特性を調べることができます。X 線が原子に当たると、そのエネルギーが原子の電子に伝わり、電子が励起されます。もちろん、良いことは必ず終わります。電子が落ちてくると、新たに得たエネルギーが再び X 線として放出されます。科学者は、その新鮮な放射線を研究することで、その間にある原子の特性を調べることができます。

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これは素晴らしいツールであり、分子構造をいじくり回す必要がある科学者にとっては恩恵となっている。X線分光法と呼ばれるこのプロセスは、例えばCOVID-19ワクチンの開発に役立った。この技術により、科学者は原子群を研究し、バッチに含まれる元素とその電子配置全体を特定することができるが、科学者がそれらを個々の原子と一致させることはできない。「『ああ、サッカー選手のチームがいる』とか『ダンサーのチームがいる』というのはわかるかもしれないが、サッカー選手やダンサーを1人特定することはできなかった」と、アルゴンヌ国立研究所の物理学者で、論文の著者の1人であるフォルカー・ローズ氏は言う。

高出力ビームによるピアリング

歯科医院にあるX線源で分子を粉砕する機械を作ることはできません。その能力を最大限に発揮するには、はるかに明るく、はるかに強力なビームが必要です。シンクロトロンと呼ばれる粒子加速器を使う必要があります。

ネイチャー誌の著者らが使用した装置はアルゴンヌ国立研究所に設置されており、イリノイ州の平原にある長さ 3 分の 2 マイルのリングの周りを電子が飛び回るようになっている。しかし、シンクロトロンは粒子同士を衝突させるのではなく、高速の電子を波打つ磁気のガントレットに送り込む。電子が通過する際、そのエネルギーの多くを X 線ビームとして放出する。

著者らは、このような X 線ビームのパワーと STM の精度を組み合わせました。この場合、X 線は原子の電子にエネルギーを与えます。ただし、STM は電子の一部を引き出し、科学者がさらに詳しく観察できるようにしました。科学者はこのプロセスに、PlayStation 1 のスノーボード ゲームに違和感のない名前をつけました。シンクロトロン X 線走査トンネル顕微鏡 (SX-STM) です。

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X 線と STM を組み合わせるのはそれほど簡単ではありません。単なる技術的な調整ではなく、これらは 2 つのまったく別の科学者グループによって使用される 2 つの別々の技術です。これらを連携させるには何年もの作業が必要でした。

SX-STM を用いて、著者らは 2 つの異なる原子内の電子配置を検出することに成功した。1 つは鉄原子、もう 1 つはテルビウム原子である。テルビウム原子は希土類元素 (番号 65) であり、磁石を含む電子機器や緑色蛍光灯によく使用される。「これはまったく新しい方法で、これまでは不可能でした」とローズ氏は言う。

科学者たちは、この技術が幅広い分野で活用できると考えている。量子コンピューターは原子の電子状態に情報を保存できるため、研究者はこの技術を使って情報を読み取ることができる。この技術が普及すれば、材料科学者は化学反応をはるかに高い精度で制御できるようになるかもしれない。

Hla 氏は、SX-STM による特性評価は、X 線科学がすでに行っている研究を基盤にできると考えています。「X 線は私たちの文明社会で多くの生活を変えてきました」と同氏は言います。たとえば、特定の原子が何をするかを知ることは、より優れた材料を作ったり、将来の予防接種のためにタンパク質を研究したりする上で非常に重要です。

フラ氏と彼の同僚は、一度に 1 個または 2 個の原子を調べることが可能であることを証明したので、科学者が一度に大量の原子の特性を調べる道が開かれたと彼は言います。「1 個の原子を検出できれば、10 個、20 個の原子を検出できます」とフラ氏は言います。