Wetenschappers en ingenieurs die aan de grens van nanotechnologie werken, staan ​​voor enorme uitdagingen. Wanneer de positie van een enkel atoom in een materiaal de fundamentele eigenschappen van dat materiaal kan veranderen, wetenschappers hebben iets in hun gereedschapskist nodig om te meten hoe dat atoom zich zal gedragen.

Een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Leeds, in samenwerking met collega's van de Sorbonne Universiteit in Parijs, Frankrijk, hebben voor het eerst aangetoond dat het mogelijk is een diagnostische techniek te ontwikkelen die losjes verwant is aan het idee van een stemvork.

Een stemvork produceert een vaste toon wanneer er energie op wordt uitgeoefend - in dat geval wanneer het wordt geslagen. Maar als de vork op de een of andere manier is veranderd, het valt uit de toon:de toon verandert.

De techniek die door het onderzoeksteam wordt gebruikt, omvat het afvuren van een bundel elektronen op een enkel atoom in een vaste stof. Die energiestroom zorgt ervoor dat het en de atomen eromheen trillen.

Dit creëert een unieke vibrationele energievingerafdruk, verwant aan de vaste toon van een stemvork, die met een elektronenmicroscoop kan worden vastgelegd. Maar als een enkele atoomonzuiverheid aanwezig is, een ander chemisch element, bijvoorbeeld, de trillingsenergie-vingerafdruk van die onzuiverheid zal veranderen:het materiaal zal op deze precieze locatie anders 'klinken'.

Het onderzoek opent de mogelijkheid dat wetenschappers materialen kunnen controleren op atomaire onzuiverheden.

De bevindingen, Single Atom Vibrational Spectroscopie in de Scanning Electron Microscope, worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Quentin Ramasse, Professor van geavanceerde elektronenmicroscopie in Leeds die het project leidde, zei:"We hebben nu direct bewijs dat een enkel "vreemd" atoom in een vaste stof zijn trillingseigenschappen op atomaire schaal kan veranderen.

"Dit wordt al tientallen jaren voorspeld, maar er is geen enkele experimentele techniek geweest om deze vibratieveranderingen direct waar te nemen. We hebben voor het eerst kunnen aantonen dat je die defectsignatuur met atomaire precisie kunt vastleggen."

De onderzoekers gebruikten het SuperSTEM-laboratorium, de Britse nationale onderzoeksfaciliteit voor geavanceerde elektronenmicroscopie, ondersteund door de Engineering and Physical Research Council (EPSRC).

De faciliteit herbergt enkele van de meest geavanceerde faciliteiten ter wereld voor het onderzoeken van de atomaire structuur van materie, en wordt beheerd onder auspiciën van een academisch consortium onder leiding van de Universiteit van Leeds (waaronder ook de universiteiten van Oxford, York die betrokken waren bij dit project, evenals Manchester, Glasgow en Liverpool).

De wetenschappers lokaliseerden een enkel onzuiver siliciumatoom in een groot grafeenkristal (een vorm van koolstof van slechts één atoom dik) - en richtten vervolgens de straal van hun elektronenmicroscoop direct op dat atoom.

Professor Ramasse zei:"We raken het met een elektronenstraal, waardoor het siliciumatoom gaat bewegen of trillen, absorberen een deel van de energie van de binnenkomende elektronenstraal in het proces - en we meten de hoeveelheid energie die wordt geabsorbeerd."

De animatie illustreert schematisch hoe het silicium trilt, en hoe die vibratie naburige atomen begint te beïnvloeden, en is geïnspireerd op uitgebreide theoretische berekeningen door het team van Dr. Guillaume Radtke aan de Sorbonne University, die aan dit project hebben meegewerkt.

"De trillingsrespons die we waarnemen is uniek voor hoe dit specifieke siliciumatoom zich in het grafeenrooster bevindt, " voegde Dr. Radtke toe. "We konden voorspellen hoe zijn aanwezigheid het omringende netwerk van koolstofatomen zou verstoren, maar deze experimenten vertegenwoordigen een echte technische prestatie omdat we nu in staat zijn om zo'n subtiele verandering met atomaire precisie te meten."