Ohio Üniversitesi ve ABD Ulusal Argonne Laboratuvarında görev yapan fizik profesörü Saw Wai Hla öncülüğündeki bir araştırma takımı, yalnızca tek bir atomun X ışınıyla elde edilen ilk sinyalini (veya imzasını) yakaladı. ABD Enerji Bakanlığı Temel Enerji Bilimleri Bürosunca fonlanan çığır açıcı gelişme, bilim insanlarının maddeleri tespit etme yönteminde devrim yaratabilir.
X ışınları, Wilhelm Roentgen tarafından 1895 yılında keşfedildiğinden beri tıbbi tetkiklerden havaalanlarındaki güvenlik taramalarına kadar her yerde kullanılıyor. Hatta NASA’nın Mars’a gönderdiği uzay aracı Curiosity bile Mars’taki kayaların hangi maddelerden oluştuğunu incelemesine yarayan bir X ışını cihazı taşıyor. X ışınlarının bilimdeki önemli kullanım alanlarından biri de numunelerdeki maddelerin tipini belirlemek. Bir numunede X ışınıyla tespit yapılması için gereken madde miktarı, parçacık hızlandırıcılı X ışını kaynakları ve yeni cihazların geliştirilmesiyle birlikte büyük ölçüde azaldı. Bugüne dek bir numuneden X ışınıyla tespit edilebilen en küçük miktar, yaklaşık 10.000 atom veya daha fazlasını kapsayan attogram birimiyle ölçülüyordu. Bunun sebebi ise bir atomun ürettiği X ışını sinyalinin son derece zayıf olması ve bu sinyalin geleneksel X ışını dedektörleriyle tespit edilememesiydi. Hla’ya göre bilim insanları uzun süredir sadece bir atomun röntgenini çekebilmeyi hayal ediyordu. Bu hayal, Hla’nın öncülük ettiği araştırma takımıyla beraber artık gerçeğe dönüştü.
Ohio Üniversitesi Nanoölçek ve Kuantum Olguları Enstitüsünün de başkanı olan Hla şöyle açıklıyor: “Atomlar, taramalı sonda mikroskoplarıyla her zaman görüntülenebiliyor. Fakat X ışınları olmadan, bu atomların nelerden meydana geldiğini söyleyemiyoruz. Artık belli bir atomun kesin olarak hangi tipte olduğunu tespit edebiliyoruz. Tek seferde tek atom tespit edip eş zamanlı biçimde kimyasal durumunu da ölçebiliyoruz. Bunu yapabildiğimizde, maddelerin izini sadece tek bir atomun nihai sınırına kadar sürebiliyoruz. Çevre ve sağlık bilimlerinde büyük bir etki yaratacak olan bu durum, insanlığı derinden etkileyebilecek bir tedavinin bile bulunmasını sağlayabilir. Bu keşif dünyayı değiştirecek.”
31 Mayıs’ta Nature bilim bülteninde yayımlanan ve bültenin 1 Haziran 2023’teki basılı halinin kapağını süsleyen makalede, Hla ve diğer birtakım fizikçi ile kimyagerlerin çalışması detaylı biçimde anlatılıyor.
Araştırma takımı çalışma için her ikisi de kendi moleküler konaklarına yerleştirilmiş bir demir atomu ile bir terbiyum atomu seçmişler. Takım bir atomun X ışını sinyalini tespit etmek için, geleneksel X ışını dedektörlerini numuneye son derece yakın konumlandırılmış keskin metal bir uçtan yapılan özel bir dedektörle destekleyip X ışınıyla uyarılan elektronları toplamış. Bu yöntem, parçacık hızlandırıcılı X ışını taramalı tünelleme mikroskobisi veya SX-STM şeklinde biliniyor. SX-STM’deki X ışını tayfölçümü, çekirdek seviyedeki elektronların foton emilimiyle tetikleniyor. Bunlar elementsel birer parmak izi teşkil ediyor ve maddelerin elementsel tipini belirlemede doğrudan etki gösteriyorlar.
Hla’ya göre tayflar, her biri benzersiz olan ve kesin olarak ne olduğunu tespit edebilen parmak izlerine benziyor.
Makalenin birinci yazarı olan ve bu çalışmayı doktora tezinin parçası şeklinde yürüten Tolulope Michael Ajayi, “Bu çalışmada kullanılan yöntem ve ıspatlanan kavram, X ışını bilimi ve nanoölçek çalışmalarında yeni bir zemin sunuyor” diyor. “Dahası, X ışınlarını kullanarak tekil atomların tespiti ve nitelendirilmesi, araştırma dallarında devrim yaratıp kuantum bilişim gibi alanlarda yeni teknolojiler doğurabilir. Ayrıca çevresel ve tıbbi araştırmalarda iz elementlerin tespit edilmesini sağlayabilir. Bu gelişme, ileri malzeme bilimi araçlarına da yol açabilir.”
Hla geride bıraktığımız 12 yıl boyunca, ABD Ulusal Argonne Laboratuvarı Gelişmiş Foton Kaynağı biriminde çalışan bilim insanı Volker Rose ile beraber bir SX-STM cihazı ve ölçüm yöntemlerinin geliştirilmesiyle uğraşmış.
“12 yıllık bir dönem süresince, Ohio’daki dört lisansüstü öğrencisinin SX-STM yönteminin geliştirilmesiyle alakalı doktora tezlerine danışmanlık yapmayı başardım. Tek bir atomun X ışını imzasının tespit edilmesi sürecinde uzun bir yol kat ettik” diyor Hla.
Hla’nın çalışması, maddelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerinin temel seviyede; tekil atomların seviyesinde anlaşılmasına özel bir vurgu yapan nano ve kuantum bilimlerine odaklanıyor. Bilim insanlarının ana hedefi bir atomun X ışını imzasına ulaşmanın yanısıra, bu yöntem yardımıyla tek bir nadir toprak atomunun çevreye olan etkisini de araştırmakmış.
“Atomların tek tek kimyasal durumlarını da tespit ettik” diye açıklıyor Hla. “Ayrı moleküler konakların içerisindeki bir demir atomu ile bir terbiyum atomunun kimyasal hallerini karşılaştırdığımızda, demir atomu etrafıyla güçlü şekilde etkileşime girerken nadir bir toprak elementi olan terbiyum atomunun ise oldukça izole yapıda olduğunu ve kimyasal halinin değişmediğini keşfettik.”
Cep telefonları, bilgisayarlar ve televizyonlar gibi gündelik cihazlarda kullanılan pek çok nadir toprak elementi bulunuyor. Bunlar, teknolojinin üretilmesi ve ilerletilmesinde son derece önem taşıyor. Bilim insanları bu keşif sayesinde artık sadece bir elementin tipini değil, kimyasal halini de belirleyebilir. Böylelikle farklı maddelerin içerisindeki atomlar daha iyi manipüle edilip, çeşitli alanlarda sürekli değişen ihtiyaçlar karşılanabilir. Dahası araştırmacılar, geliştirdikleri “X ışınıyla uyarılmış yankılaşım tünellemesi ve X-ERT” adını verdikleri yeni bir yöntemle, parçacık hızlandırıcılı X ışınları yardımıyla bir maddenin yüzeyinde tek bir molekülün yörüngesinin ne tarafa yöneldiğini de tespit edebiliyorlar.
“Parçacık hızlandırıcılı X ışınlarını kuantum tünelleme işlemine bağlayarak tekil bir atomun X ışını imzasını tespit etmeyi sağlayan bu başarı, parçacık hızlandırıcılı X ışınlarının kullanılmasıyla sadece tek bir atomun kuantum ve dönü (manyetik) özelliklerine yönelik araştırma da dahil olmak üzere heyecan verici birçok araştırma sahasına kapı aralıyor.”
Yazar: Samantha Pelham/Ohio Eyalet Üniversitesi. Çeviren: Ozan Zaloğlu.
