原子の顔認識のように、画像は電子軌道で元素を区別する(Like facial recognition for atoms, image distinguishes elements by electron orbitals)

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2023-07-14 プリンストン大学

◆プリンストン大学とテキサス大学の研究者たちは、複数の高度な顕微鏡を組み合わせることで、鉄とコバルトの電子軌道の形状からこれらの元素を区別することが可能な分子の画像を作成しました。これまで化学反応からそれらを推測してきたのではなく、これが初めての直接観察です。鉄とコバルトを区別するために、軌道の形状が異なることが明確になりました。
◆この研究は、物理学と化学の基礎である電子軌道の性質を理解する上で重要であり、分子の直接観察は行動の理解に新たな方法を提供します。この知識は、新しい材料の設計や化学反応の改善に役立てられる可能性があります。

<関連情報>

原子間力顕微鏡による金属フタロシアニン中の単一原子の電子軌道シグネチャーの観察 Observation of electron orbital signatures of single atoms within metal-phthalocyanines using atomic force microscopy

Pengcheng Chen,Dingxin Fan,Annabella Selloni,Emily A. Carter,Craig B. Arnold,Yunlong Zhang,Adam S. Gross,James R. Chelikowsky & Nan Yao
Nature Communications  Published:16 March 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-37023-9

figure 1

Abstract

Resolving the electronic structure of a single atom within a molecule is of fundamental importance for understanding and predicting chemical and physical properties of functional molecules such as molecular catalysts. However, the observation of the orbital signature of an individual atom is challenging. We report here the direct identification of two adjacent transition-metal atoms, Fe and Co, within phthalocyanine molecules using high-resolution noncontact atomic force microscopy (HR-AFM). HR-AFM imaging reveals that the Co atom is brighter and presents four distinct lobes on the horizontal plane whereas the Fe atom displays a “square” morphology. Pico-force spectroscopy measurements show a larger repulsion force of about 5 pN on the tip exerted by Co in comparison to Fe. Our combined experimental and theoretical results demonstrate that both the distinguishable features in AFM images and the variation in the measured forces arise from Co’s higher electron orbital occupation above the molecular plane. The ability to directly observe orbital signatures using HR-AFM should provide a promising approach to characterizing the electronic structure of an individual atom in a molecular species and to understand mechanisms of certain chemical reactions.

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