Forskare och ingenjörer som arbetar vid nanoteknikens gränser står inför enorma utmaningar. När positionen för en enda atom i ett material kan förändra de grundläggande egenskaperna hos det materialet, forskare behöver något i sin verktygslåda för att mäta hur den atomen kommer att bete sig.

En forskargrupp ledd av University of Leeds, i samarbete med kollegor vid Sorbonne-universitetet i Paris, Frankrike, har för första gången visat att det är möjligt att utveckla en diagnostisk teknik som är löst relaterad till idén om en stämgaffel.

En stämgaffel producerar en fast ton när energi appliceras på den - i så fall, när den slås. Men om gaffeln på något sätt ändras, det går ur stämning:tonen ändras.

Tekniken som används av forskargruppen innebär att man avfyrar en elektronstråle mot en enda atom i ett fast ämne. Den energiströmmen får den och atomerna som omger den att vibrera.

Detta skapar ett unikt vibrationsenergifingeravtryck, liknande den fasta tonen från en stämgaffel, som kan registreras med ett elektronmikroskop. Men om en enda atomförorening är närvarande, ett annat kemiskt element, till exempel, vibrationsenergins fingeravtryck för den föroreningen kommer att förändras:materialet kommer att "låta" annorlunda på denna exakta plats.

Forskningen öppnar för möjligheten att forskare kommer att kunna övervaka material för atomära föroreningar.

Resultaten, Enatoms vibrationsspektroskopi i svepelektronmikroskopet, publiceras idag i tidskriften Vetenskap .

Quentin Ramasse, Professor i avancerad elektronmikroskopi vid Leeds som ledde projektet, sa:"Vi har nu direkta bevis för att en enda "främmande" atom i ett fast ämne kan ändra dess vibrationsegenskaper på atomär skala.

"Detta har förutspåtts i decennier, men det har inte funnits någon experimentell teknik för att observera dessa vibrationsförändringar direkt. Vi har för första gången kunnat visa att du kan spela in den defektsignaturen med atomär precision."

Forskarna använde SuperSTEM Laboratory, Storbritanniens nationella forskningsanläggning för avancerad elektronmikroskopi, stöds av Engineering and Physical Research Council (EPSRC).

Anläggningen har några av de mest avancerade anläggningarna i världen för att undersöka materiens atomstruktur, och drivs under överinseende av ett akademiskt konsortium som leds av University of Leeds (även inklusive universiteten i Oxford, York som var involverade i detta projekt, liksom Manchester, Glasgow och Liverpool).

Forskarna lokaliserade en enda föroreningsatom av kisel i en stor grafenkristall (en form av kol som bara är en atom tjock) - och fokuserade sedan strålen från deras elektronmikroskop direkt på den atomen.

Professor Ramasse sa:"Vi slår den med en elektronstråle, som får kiselatomen att röra sig eller vibrera, absorberar en del av energin från den inkommande elektronstrålen i processen - och vi mäter mängden energi som absorberas."

Animationen illustrerar schematiskt hur kislet vibrerar, och hur den vibrationen börjar påverka närliggande atomer, och är inspirerad av omfattande teoretiska beräkningar av teamet av Dr Guillaume Radtke vid Sorbonne University, som samarbetade i detta projekt.

"Vibrationsresponsen vi observerar är unik för hur denna speciella kiselatom är belägen i grafengittret, ", tillade Dr. Radtke. "Vi kunde förutsäga hur dess närvaro skulle störa det omgivande nätverket av kolatomer, men dessa experiment representerar en verklig teknisk prestation eftersom vi nu kan mäta med atomär precision en sådan subtil förändring."