Kildre et atom for at undersøge materialers opførsel

Forskere og ingeniører, der arbejder på grænsen til nanoteknologi, står over for enorme udfordringer. Når positionen af ​​et enkelt atom i et materiale kan ændre de grundlæggende egenskaber af dette materiale, videnskabsmænd har brug for noget i deres værktøjskasse for at måle, hvordan det atom vil opføre sig.

Et forskerhold ledet af University of Leeds, i samarbejde med kolleger ved Sorbonne Universitetet i Paris, Frankrig, har for første gang vist, at det er muligt at udvikle en diagnostisk teknik, der er løst relateret til ideen om en stemmegaffel.

En stemmegaffel frembringer en fast tone, når den påføres energi - i så fald, når den bliver ramt. Men hvis gaflen på en eller anden måde er ændret, det går ud af stemning:tonen skifter.

Teknikken, som forskerholdet bruger, involverer affyring af en elektronstråle mod et enkelt atom i et fast stof. Den energistrøm får den og atomerne, der omgiver den, til at vibrere.

Dette skaber et unikt vibrationsenergi-fingeraftryk, beslægtet med den faste tone fra en stemmegaffel, som kan optages med et elektronmikroskop. Men hvis en enkelt atom urenhed er til stede, et andet kemisk grundstof, for eksempel, vibrationsenergiens fingeraftryk af denne urenhed vil ændre sig:materialet vil 'lyde' anderledes på dette præcise sted.

Forskningen åbner mulighed for, at forskere vil være i stand til at overvåge materialer for atomare urenheder.

Fundene, Enkeltatoms vibrationsspektroskopi i scanningselektronmikroskopet, offentliggøres i dag i tidsskriftet Videnskab .

Quentin Ramasse, Professor i avanceret elektronmikroskopi ved Leeds, der ledede projektet, sagde:"Vi har nu direkte beviser for, at et enkelt "fremmed" atom i et fast stof kan ændre dets vibrationsegenskaber på atomskalaen.

"Dette er blevet forudsagt i årtier, men der har ikke været nogen eksperimentel teknik til at observere disse vibrationsændringer direkte. Vi har for første gang været i stand til at vise, at du kan optage den defekte signatur med atomær præcision."

Forskerne brugte SuperSTEM Laboratory, den britiske nationale forskningsfacilitet for avanceret elektronmikroskopi, støttet af Engineering and Physical Research Council (EPSRC).

Anlægget huser nogle af de mest avancerede faciliteter i verden til at undersøge stoffets atomare struktur, og drives i regi af et akademisk konsortium ledet af University of Leeds (også inklusiv universiteterne i Oxford, York, der var involveret i dette projekt, samt Manchester, Glasgow og Liverpool).

Forskerne lokaliserede et enkelt urenhedsatom af silicium i en stor grafenkrystal (en form for kulstof, der kun er et atom tykt) - og fokuserede derefter strålen fra deres elektronmikroskop direkte på det atom.

Professor Ramasse sagde:"Vi rammer den med en elektronstråle, som får siliciumatomet til at bevæge sig rundt eller vibrere, absorberer noget af energien fra den indkommende elektronstråle i processen - og vi måler mængden af ​​energi, der absorberes."

Animationen illustrerer skematisk, hvordan silicium vibrerer, og hvordan den vibration begynder at påvirke naboatomer, og er inspireret af omfattende teoretiske beregninger af teamet af Dr. Guillaume Radtke ved Sorbonne University, der har samarbejdet om dette projekt.

"Vibrationsreaktionen, vi observerer, er unik for, hvordan dette særlige siliciumatom er placeret i grafengitteret, " tilføjede Dr. Radtke. "Vi kunne forudsige, hvordan dens tilstedeværelse ville forstyrre det omgivende netværk af kulstofatomer, men disse eksperimenter repræsenterer en reel teknisk præstation, fordi vi nu er i stand til at måle en så subtil ændring med atompræcision."