科学の進歩は止まることを知らない。
1950年代半ばに始まった原子スケールのイメージングは、今日までに飛躍的に進化してきた。2008年には、物理学者たちは電子顕微鏡を用いて単一の水素原子のイメージングに成功し、さらに5年後には「量子顕微鏡」を用いて水素原子の内部を覗き見ることができるようになった。そして今回、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の科学者たちによって、単一原子の初のX線撮影が実現したのだ。
『Nature』誌に掲載された新しい論文によると、この偉業は、SX-STMという技術を用いることで、原子の種類を検出し、その化学状態を同時に測定することが可能になったという。
「原子はスキャニングプローブ顕微鏡で定期的にイメージングすることができますが、X線がなければそれらが何からできているかは分かりません。私たちは今、特定の原子の種類を一つずつ正確に検出し、その化学状態を同時に測定することができます。これが可能になれば、物質を単一原子まで追跡することができます。これは環境科学や医学科学に大きな影響を与えるでしょう」と、共著者であるオハイオ大学とアルゴンヌ国立研究所の物理学者、Saw-Wai Hla氏は述べている。
一般的に、人々が原子を思い浮かべるとき、彼らが想像するのは、クラシックでありながらも誤解を招くことの多いBohrの原子模型の一般的なバージョンだろう。それは電子が原子核の周りを太陽系の惑星が太陽の周りを公転するように円軌道を描くものだ。軌道は一定の離散エネルギーを持ち、それらのエネルギーは軌道の大きさに関連している：最低エネルギー、または「基底状態」は最小の軌道に関連付けられている。電子が速度や方向を変えると（Bohrモデルによれば）、それは特定の軌道に関連付けられた特定の周波数の放射を放出する。
しかし、このモデルは1913年にNiels Bohrが初めて提案して以来、量子世界の理解が進むにつれて更新されてきた。Erwin Schrödingerは、軌道をエネルギーレベルに置き換える新しい原子モデルを提案した。このモデルはBohrモデルといくつかの類似した概念を共有している。例えば、原子が加熱する（つまり、エネルギーが供給される）と、その電子はより高いレベルに移動する。電子が冷却し、通常の基底状態に戻ると、余分なエネルギーはどこかに行かなければならないので、それは光子として放出される。そして、それらの光子はエネルギーレベルの変化に一致する周波数を持っている。
厳密に言えば、電子は軌道を描いて原子核の周りを「移動」するわけではない。電子は実際には波であり、位置を決定する実験を行うときにパーティクルとして現れる。そして、それらの波は静止している。電子がどこにあるかを確認することはできるが、それを行うたびに、電子は異なる位置に現れる。これは電子が移動しているからではなく、状態の重ね合わせのためだ。電子はあなたがそれを見るまで固定された位置を持たず、波動関数が崩壊する。それでも、あなたが多くの個々の測定を行い、それぞれの電子の位置をプロットすると、最終的には個々の原子が「見える」ような、幽霊のような軌道状の雲パターンが得られる。
Hla氏が言うように、物理学者は現在、走査型プローブ顕微鏡で日常的に原子を画像化することが出来る様になった。走査型プローブ顕微鏡は、非常に鋭い先端を表面上に走らせ、先端から読み取った信号から表面の画像を形成するもので、レコードプレーヤーがレコードの溝を読み取って音を再生するのと同じである。このような技術の第一弾として、1981年にIBMの研究者によって開発されたのが走査型トンネル顕微鏡（STM）である。STMは、量子力学的なトンネル効果を利用したものだ。顕微鏡の先端を表面上で走査すると、電子が先端から表面へトンネルする。トンネル電流は測定され、画像に変換することができる。
Hla氏は、この12年間、STMのX線版である「放射光X線走査トンネル顕微鏡」（SX-STM）の開発に取り組んできた。この顕微鏡を使えば、原子の種類と化学状態を特定することができる。放射光のようなX線イメージング法は、美術や考古学など、あらゆる分野で広く利用されている。しかし、これまでX線撮影が可能な最小の量は、アトグラム（約1万個の原子）である。これは、原子1個から放出されるX線があまりにも弱く、検出できないためだ。
SX-STMは、従来の放射光と量子トンネルを組み合わせたものである。従来の放射光実験に使われていたX線検出器を、X線によって励起状態になった電子を集めるために、鋭い金属チップを試料に極端に近づけて検出するのだ。
Hla氏らの方法では、X線が試料に当たって内殻電子を励起し、その内殻電子が検出器の先端にトンネルする。内殻電子の光吸収は、物質中の原子の種類を特定するための元素指紋のようなものである。研究チームは、アルゴンヌのアドバンスト・フォトン・ソースのXTIPビームラインで、鉄原子とテルビウム原子（ホストとなる超分子に挿入）を用いて、この方法をテストした。
そして、それだけではない。「私たちは、個々の原子の化学状態も検出しました」とHla氏は言う。「鉄原子とテルビウム原子の化学状態をそれぞれの分子ホスト内で比較したところ、希土類金属であるテルビウム原子は孤立していて化学状態を変化させないのに対し、鉄原子は周囲と強く相互作用していることがわかりました」。また、Hla氏のチームは、X線励起共鳴トンネリング(X-ERT)という別の技術を開発し、物質表面上の単一分子の軌道の向きを検出することができるようになる。
この新しい技術の進歩は、科学者が原子の世界をより深く理解し、それを利用する能力を大幅に向上させる可能性がある。これは、物質科学、医学、環境科学など、多くの分野における研究と応用に大きな影響を与える可能性がある。単一の原子のX線撮影が可能になったことは、科学の新たな節目と言えるだろう。
論文
参考文献
- Ohio University: Scientists report world’s first X-ray of a single atom in Nature
- via ScienceAlert: World’s First X-Ray of a Single Atom Reveals Chemistry on The Smallest Level
研究の要旨
1895年にレントゲンによってX線が発見されて以来、その利用は医療・環境分野から材料科学まで、いたるところに及んでいる。X線による特性評価には多数の原子が必要であり、材料量の削減は長年の目標であった。ここでは、X線を用いてわずか1個の原子の元素および化学状態を特徴付けることができることを示す。専用のチップを検出器として用い、有機配位子に配位した鉄原子とテルビウム原子から発生するX線励起電流を検出した。X線吸収スペクトルには、鉄とテルビウムのL2,3、M4,5の吸収端信号という1つの原子の指紋がはっきりと観察された。これらの原子の化学状態は、X線吸収端近傍信号によって特徴付けられ、鉄原子ではX線励起共鳴トンネリング（X-ERT）が支配的である。このX線信号は、探針が原子の真上に極端に接近したときにのみ感知され、トンネル領域での原子局在検出を確認することができた。本研究は、放射光X線と量子トンネル過程を結びつけ、究極の単一原子限界で物質の元素特性や化学特性を同時に評価する将来のX線実験に道を開くものである。
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