1895 decemberében Wilhelm Conrad Röntgen egy egészen egyedülálló képet készített, ami nyilvánosságra hozatala után sokakból szélsőséges reakciókat váltott ki. Egyesek azonnal viccet csináltak belőle, mások rettegtek az újonnan felfedezett technológia potenciális következményeitől, de néhány ember szeme előtt azonnal a rendkívül hasznos alkalmazási módszerek széles tárházának víziója kezdett formálódni. Pedig a felvétel nem mutatott egyebet, mint a felesége kezét, illetve annak áttetsző, csontokkal teli képét.

Ez volt ugyanis egyike az első röntgenfelvételeknek, amelyet a porosz fizikus készített és a nagyközönség elé tárt és a különleges látvány az emberek számára megdöbbentő újdonságot jelentett. A röntgensugárzást (amit sok nyelvben a Röntgen által adott név után X-sugárnak neveznek) véletlenül fedezte fel a kutató 1895. november 8-án, miközben a katódcsövekkel végzett kísérleteket: ennek során egy légritkított hengerben (a csövet fekete kartonpapírba csomagolta) elektronnyalábot hozott létre a katód segítségével, majd észrevette, hogy a sugárzás hatására az elsötétített szobában bizonyos tárgyak zöldes színnel kezdtek fluoreszkálni. Az újfajta sugárzást azonnal behatóan tanulmányozni kezdte és hamarosan elkészítette a meglepő felvételt is a felesége kezéről, mintegy 20 perces expozíciós idővel.

A röntgensugárzás, felhasználási lehetőségeinek széles köre miatt rövid időn belül nagy karriert futott be és átformálta az orvostudományt, de sok más alkalmazási módja is az életünk elválaszthatatlan részévé vált az évtizedek alatt, például a biztonsági ellenőrzések és csomagvizsgálatok terén. Arra, hogy az anyagokat atomi szinten lehessen vizsgálni a segítségével, egészen eddig nem nyílt lehetőség, de egy új kutatásnak köszönhetően ez a helyzet most megváltozott és a fizikusok már röntgensugarakkal is megállapíthatják egy-egy atom kémiai állapotát.

Az Ohiói Egyetem kutatóinak vezetésével zajló munka során az úgynevezett SX-STM (synchrotron X-ray scanning tunneling microscopy) technikát használták a megfigyelésekhez, ami a röntgenfelvételek érzékenységét kombinálja a felületvizsgáló mikroszkópok precizitásával. A pásztázó alagútmikroszkóp azáltal képes az atomi szintű vizsgálatok kivitelezésére, hogy benne egy hegyes tű rendkívül közel kerül a vizsgált mintához, mintegy néhány nanométeres távolságra és így az atom és a tű között létrehozott feszültség révén az elektronok át tudnak vándorolni a mintából a tűbe. A folyamat az alagúthatás miatt jön létre, ami egy kvantumfizikai jelenség és lényege, hogy a részecskék a potenciálgát átlépésével akkor is át tudnak jutni a két "oldal" között, ha az meghaladja a részecskék energiáját.

A pásztázó alagútmikroszkóppal felszerelt röntgenberendezés a röntgensugarak által hozza gerjesztett állapotba az atomok elektronjait, amelyek aztán a mikroszkóp fémhegyére haladnak át és az elnyelt elektronok alapján ki tudja mutatni egy-egy anyag alapvető "ujjlenyomatát". Önmagában a röntgensugárzással (pásztázó alagútmikroszkóp nélkül) eddig csak körülbelül 10 000 atomnyi nagyságú mintát tudtak vizsgálni a kutatók, ennél kisebbet nem, az atomok által kibocsátott röntgensugárzás nagyon gyenge szintje miatt. A módszer hatékonysága ezért forradalmi lehet és az egyetlen atom szintjén röntgennel végezhető megfigyelések az anyagkutatás új fejezetét nyithatják meg a szakértők előtt.

A kutatók a kísérletben vas-, és terbiumatomokat használtak, ez utóbbi egy ritkaföldfém, amelynek kémiai reakcióit is vizsgálták a munka során és, mint kiderült, a vasnál jóval kevésbé aktív, azaz nem reagál olyan intenzíven a környezeti változásokra, mint a vasatom. A ritkaföldfémek viselkedésének megértése különösen fontos lehet az anyagtudományokban, mivel számos elektronikai eszközben használják őket, a módszerrel pedig a velük kapcsolatos mérések és a potenciális manipulálásuk is könnyebbé válhat. A gyakorlati felhasználás mellett az atomok kvantumos tulajdonságainak, például spinjének feltérképezése is az SX-STM módszer egyik alkalmazási területe lehet, a kutatók pedig már dolgoznak rajta, hogy még tovább fejlesszék a technikát, újabb felhasználási módokat keresve.

(Fotó: University of Ohio)