세계 최초 단일 원자 X선 신호 감지

세계 최초의 단일 원자의 X선 SIGNAL(서명)이 포착됐다. 이 획기적인 성과는 과학자들이 물질을 감지하는 방식에 혁명을 일으킬 수 있다.

X선은 1895년 Roentgen에 의해 발견된 이후 건강 진단부터 공항의 보안 검색에 이르기까지 모든 곳에서 사용됐다. NASA 화성 탐사선인 큐리오시티(Curiosity)에도 X선 장비를 장착해 화성에 있는 암석의 물질 구성을 조사한다. 과학에서 X선의 중요한 용도는 샘플의 물질 유형을 식별하는 것이다. 수년에 걸쳐 싱크로트론 X선 소스와 새로운 장비의 개발 덕분에 X선 검출에 필요한 샘플의 재료 양이 크게 줄었다. 지금까지 샘플을 엑스레이로 촬영할 수 있는 최소량은 attogram, 즉 약 1만개 이상의 원자다. 이는 원자에서 생성되는 X선 신호가 극히 약하기 때문에 기존의 X선 검출기로는 검출할 수 없기 때문이다. Hla에 따르면 단 하나의 원자만 엑스레이로 촬영하는 것은 과학자들의 오랜 꿈이며, 현재 그가 이끄는 연구팀에 의해 실현되고 있다.

오하이오 대학(Ohio University) 물리학 교수로 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory, ANL) 과학자인 Saw Wai Hla는 “원자는 스캐닝 프로브 현미경으로 일상적으로 이미지화할 수 있지만 X선 없이는 원자가 무엇으로 구성되어 있는지 알 수 없다. 이제 우리는 특정 원자의 유형을 한 번에 원자 하나씩 정확하게 감지할 수 있으며 동시에 측정할 수 있다. 일단 우리가 그것을 할 수 있게 되면 우리는 단 하나의 원자라는 궁극적인 한계까지 물질을 추적할 수 있다”고 설명했다.

연구는 2023년 5월 31일 과학 저널 Nature에 게재, 6월 1일 네이처 저널 표지를 장식했다. 연구팀은 Advanced Photon Source의 XTIP 빔라인과 ANL의 Nanoscale Materials 센터에서 특별히 제작된 싱크로트론 X선 기기를 사용했다.

시연을 위해 팀은 각각의 분자 호스트에 삽입된 철 원자와 테르븀 원자를 선택했다. 한 원자의 X-선 신호를 감지하기 위해 연구팀은 X-선 여기 전자를 수집하기 위해 샘플에 매우 근접한 날카로운 금속 팁으로 만들어진 특수 검출기로 X-선의 기존 검출기를 보완했다. X선 스캐닝 터널링 현미경 또는 SX-STM의 X-선 분광법은 원소 지문을 구성하는 코어 레벨 전자의 광흡수에 의해 촉발되며 물질의 원소 유형을 직접 식별하는 데 효과적이다.

Hla에 따르면 스펙트럼은 지문과 같으며 각각 고유하며 그것이 무엇인지 정확히 감지할 수 있다.

지난 12년 동안 Hla는 ANL Advanced Photon Source 과학자인 Volker Rose와 함께 SX-STM 장비 및 측정 방법 개발에 참여했다.

연구는 나노 및 양자 과학, 특히 개별 원자를 기준으로 기본 수준에서 재료의 화학적 및 물리적 특성을 이해하는 데 중점을 두고 있다. 한 원자의 X선 서명을 달성하는 것 외에도 팀의 주요 목표는 이 기술을 사용하여 단일 희토류 원자에 대한 환경 영향을 조사하는 것이었다.

Hla는 “우리는 개별 원자의 화학적 상태도 감지했다. 각각의 분자 호스트 내부의 철 원자와 테르븀 원자의 화학적 상태를 비교함으로써 우리는 희토류 금속인 테르븀 원자가 고립되어 있고 철 원자가 그것의 화학적 상태와 강하게 상호 작용하는 동안 화학적 상태를 바꾸지 않는다는 것을 발견했다”고 설명했다.

또한 그들은 싱크로트론 X선을 사용하여 단일 분자의 궤도가 재료 표면에서 어떻게 배향되는지 감지할 수 있는 “X선 여기 공명 터널링 또는 X-ERT”라는 새로운 방법을 개발했다.

연구팀에 따르면 이 성과는 싱크로트론 X선을 양자 터널링 프로세스와 연결하여 개별 원자의 X선 시그니처를 감지하고 싱크로트론 X선을 사용하는 단 하나의 원자의 양자 및 스핀(자기) 특성에 대한 연구를 포함하여 많은 흥미로운 연구 방향을 열어준다.