米国の科学者らは、初めて単一原子のX線画像を撮影することに成功した。これには、技術と超強力なX線装置の開発にわずか12年を要した。
現在、12年にわたる研究を経て、オハイオ大学、アルゴンヌ国立研究所、イリノイ大学シカゴ校などの研究機関の科学者チームが、実際の鉄原子のX線画像を撮影した。この画像では、これまでの原子スケールのスナップショットとは異なり、実際に個々の原子を識別することができる。
「原子は走査プローブ顕微鏡で日常的に画像化できますが、X線がなければ原子が何でできているかを知ることはできません。私たちは今、特定の原子の種類を一つずつ正確に検出し、同時にその化学状態を測定することができるようになりました」と、アルゴンヌ国立研究所の科学者であり、オハイオ大学物理学教授、同大学ナノスケール・量子現象研究所所長、そして本プロジェクトの主任科学者でもあるソー・ワイ・フラ氏は述べています。
新鮮な技術
この新しいタイプのイメージングのために特別に設計された顕微鏡は、シンクロトロンX線走査トンネル顕微鏡（SX-STM）と呼ばれる技術を採用しています。この技術自体は、従来アモルファス原子の画像を撮影するために用いられてきた走査プローブと、はるかに高輝度で、原子レベルでX線画像を撮影できるほど十分に制御可能な放射光を用いるシンクロトロンX線イメージングを組み合わせたものです。
走査トンネル顕微鏡は、機器の先端を物体の表面に極めて近づけ（わずかナノメートル）、電流で対象物の原子を振動させることで、驚くほど微細な画像を撮影することができます。凹凸やナノスケールの波形を生成するのに優れていますが、走査対象の原子を実際に特定する方法はありません。
鉄原子1個を含む超分子のX線画像（左）とそれに関連するX線シグネチャ（右） - クリックして拡大
シンクロトロン放射は物質の奥深くまで浸透し、分子結合や個々の原子などの特徴を研究できるほど強力です。
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走査トンネル顕微鏡とシンクロトロン放射を組み合わせることで、「内殻電子の光吸収」を介して原子を画像化することが可能になります。研究者らによると、これは個々の原子の元素指紋を捉えることができることを意味します。今回の実験では、鉄原子が使用されました。
「X線を使って個々の原子を検出し、特徴づけることは、研究に革命をもたらし、量子情報や環境・医療研究における微量元素の検出などの分野で新しい技術を生み出す可能性がある」と、この研究の主著者であるオハイオ大学博士課程の学生、トルロープ・マイケル・アジャイ氏は述べた。
レアアースの成果
この画像を撮影するために、研究チームは鉄原子1個とテルビウム原子数個からなる超分子を作成する必要がありました。鉄の画像撮影に加え、Hla氏の研究チームは、テルビウムのような希土類元素原子1個に対して、様々な環境がどのような影響を与えるかを調べました。
超分子のX線画像を示す図：X線を分子に照射すると、電子の振動によりトンネル効果が生じ、先端で検出されて特定の分子が特定されます。
「それぞれの分子ホスト内の鉄原子とテルビウム原子の化学状態を比較すると、希土類金属であるテルビウム原子はむしろ孤立しており、その化学状態は変化しないが、鉄原子は周囲と強く相互作用することがわかった」とHla氏は述べた。
つまり、研究チームは、個々の元素を原子レベルで特定するだけでなく、その化学状態も特定する方法を本質的に解明したということです。また、この技術を「X線励起共鳴トンネル効果」と呼ばれる新技術に応用する方法も発見しました。この技術により、物質表面上の単一分子の軌道配向を検出することが可能になると彼らは述べています。
Hla氏は、この発見により、将来の研究者は「シンクロトロンX線を用いて、たった一つの原子の量子特性とスピン（磁気）特性を実験できる」ようになると述べた。今後、研究チームは、この技術を、重要物質の収集やその他の原子関連技術の進歩といった分野に応用する新たな方法を検討していく予定だ。®
