شاید اتم‌ها استخوان‌بندی نداشته باشند ولی ما اصرار داریم که بدانیم چگونه کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. این ذرات کوچک، اجزای سازنده‌ی مواد (از جمله استخوان‌های ما) هستند و شناخت آن‌ها به درک جهان بزرگ‌تر پیرامون ما کمک می‌کند. امروزه ما از پرتو‌های پُرانرژی ایکس برای مطالعه‌ی اتم‌ها و مولکول‌ها و چینش آن‌ها در کنار یکدیگر استفاده و با دریافت پراش پرتو‌ها، پیکربندی ذرات در شکل بلوری ماده را بازسازی می‌کنیم. به گزارش ساینس‌آلرت، این‌ بار دانشمندان از پرتو ایکس برای بررسی ویژگی‌های یک اتم منفرد استفاده کرده و نشان دادند که می‌توان از این روش برای شناخت ماده در کوچک‌ترین شکل ساختاری آن بهره برد.

گروه بین‌المللی این پژوهش با هدایت تولوپ آجایی، فیزیکدان دانشگاه اوهایو و آزمایشگاه ملی آرگونی در ایالات متحده در مقاله خود نوشته‌اند: «ما نشان دادیم که پرتو ایکس می‌تواند در بررسی حالت عنصری و شیمیایی یک اتم منفرد مورد استفاده قرار گیرد.» پرتو‌های ایکس ابزاری مناسب برای سنجش صفات مواد در سطح اتمی هستند؛ زیرا طول موج آن‌ها در محدوده‌ی ابعاد یک اتم است. چندین روش تابش اشعه ایکس بر سوژه، برای مشاهده‌ی ساختار‌های کوچک‌مقیاس آن وجود دارد. یکی از آن‌ها «تابش پرتوی ایکس سَنکروترون» است. در این روش الکترون‌ها در مسیری دایره‌ای به اندازه‌ای شتاب می‌گیرند که پرتو‌های پرانرژی الکترومغناطیسی منتشر می‌کنند. برای تفکیک جزئیات بسیار ظریف، آجایی و همکارانش، پرتو‌های ایکس سنکرورتون را با روشی برای تصویربرداری میکروسکوپی در مقیاس اتمی به نام «تصویربرداری میکروسکوپ تونلی روبشی» ترکیب کرده‌اند. این روش با بکارگیری پرابِ رسانایِ فوق‌العاده نوک‌تیز، با الکترون‌های ماده‌ی مورد مطالعه از طریق «تونل‌زنی کوانتومی» برهمکنش دارد. در فاصله‌های بسیار نزدیک (مثلاً نیم نانومتر)، مکان دقیق یک الکترون مبهم است و جایی در فضای بین پراب و ماده قرار دارد. حالت اتم می‌تواند با استفاده از جریان الکتریکی به‌وجود‌آمده، اندازه‌گیری شود. وقتی هر دو روش در کنار یکدیگر به کار روند، از عبارت «تصویربرداری میکروسکوپ تونلی روبشی پرتو ایکس» (SX-STM) برای توصیف آن استفاده می‌شود. تابش ایکس تقویت‌شده، نمونه را برانگیخته می‌کند و آشکارساز سوزنی‌شکل، فوتوالکترون‌های ایجادشده را جمع‌آوری می‌کند. این روش هیجان‌انگیز، فرصت‌های بی‌نظیری را ممکن می‌کند. سال گذشته، همین گروه، مقاله‌ای درباره‌ی چرخاندن یک مولکول با استفاده از SX-STM منتشر کردند. آن‌ها این بار سراغ هدف کوچک‌تری رفتند و اقدام به اندازه‌گیری خصوصیات یک اتم آهن کردند. آن‌ها مجموعه‌های سوپرمولکولی را جداگانه ساختند. این سوپرمولکول‌ها شامل یون‌های آهن و تِربیوم بودند که در حلقه‌ای از اتم‌ها، که لیگاند نامیده می‌شوند، قرار گرفتند. یک اتم آهن و ۶ اتم روبیدیم توسط لیگاند ترپیریدین؛ و تربیوم، اکسیژن و برُم با استفاده از لیگاند پیریدین-۲٫۶ دیکربوکسیامید متصل شدند.

طرح‌واره‌ی مجموعه‌ی سوپرمولکولی آهن؛ اتم آهن با رنگ قرمز و اتم‌های روبیدیم به رنگ فیروزه‌ای

سپس نمونه در معرض SX-STM قرار گرفت. نوری که آشکارساز دریافت می‌کند با نوری که به سمت نمونه فرستاده شده، یکسان نیست. بعضی از طول موج‌ها توسط الکترون‌های هسته‌ی الکترونیِ مجموعه‌ی سوپر مولکولی، جذب‌ شده و در طیف پرتو ایکس دریافتی، چندین خط تاریک ایجاد می‌کنند. پژوهشگران دریافتند که این خطوط تاریک بر طیف جذبی آهن و تربیوم منطبق هستند. همچنین می‌توان حالت‌های این اتم‌ها را با بررسی طیف جذبی آن‌ها مشخص کرد. پدیده‌ی جالبی در مورد اتم آهن مشاهده شد. سیگنال پرتو ایکس، فقط زمانی که نوک پراب دقیقاً بالا و بسیار نزدیک به اتم آهن در ساختار سوپرمولکولی قرار می‌گرفت، قابل شناسایی بود. این پدیده، شناسایی ماده با استفاده از تونل‌زنی کوانتومی را تأیید می‌کند. از آنجا که تونل‌زنی، پدیده‌ای کوانتومی است، روش جدید می‌تواند در مطالعه‌ی مکانیک کوانتوم نیز مورد استفاده قرار گیرد. پژوهشگران می‌گویند: «کار ما، پرتو ایکس سنکروترون و فرایند تونل‌زنی کوانتومی را متصل و راه را برای شناسایی همزمان ویژگی‌های عنصری و شیمیایی مواد در سطح تک اتم‌ها، در آزمایش‌های پرتو ایکس آینده، باز کرده است.»

یافته‌های پژوهشگران در نشریه‌ی نیچر منتشر شده است.

/سهراب شهیدی