物理学家首次对单个原子进行X射线检查

自 1895 年威廉·伦琴 (Wilhelm Röntgen) 发现 X 射线以来，它的应用无处不在，从医学和环境应用到材料科学。X 射线表征需要大量原子，减少材料数量是一个长期目标。阿贡国家实验室研究员 Saw Wai Hla 及其同事现在表明，X 射线可用于表征一个原子的元素和化学状态。

“可以使用扫描探针显微镜对原子进行常规成像，但如果没有 X 射线，则无法判断它们是由什么构成的，”同时担任俄亥俄大学纳米尺度和量子现象研究所所长的 Hla 博士说。

“我们现在可以准确地检测特定原子的类型，一次检测一个原子，并且可以同时测量其化学状态。”

Hla 博士和合著者在先进光子源和阿贡国家实验室纳米材料中心的 XTIP 光束线上进行了实验。

为了演示，他们选择了一个铁原子和一个铽原子，它们都插入了各自的分子宿主中。

为了检测一个原子的 X 射线信号，他们使用了一种称为同步加速器 X 射线扫描隧道显微镜的技术。

“在二十世纪中叶发明同步加速器 X 射线后，材料的 X 射线表征发生了革命性的变化，”他们说。

“同步加速器光源的功能不断升级，以提高分辨率和测量所需的最小样品量。”

“到目前为止，X 射线可以检测到阿克级的样品。然而，它仍然在超过 10,000 个原子的范围内，要获得更小的样本变得极其困难。”

“如果 X 射线仅能用于检测一个原子，那么它的应用将进一步发生革命性变化，达到前所未有的水平，从量子信息技术到环境和医学研究。”

“克服这些挑战的一种方法是用一个专门的探测器取代传统探测器，该探测器由一个非常靠近样品的尖锐金属尖端制成，以收集 X 射线激发的电子，这种技术被称为同步加速器 X 射线扫描隧道显微镜( SX-STM)。

SX-STM 中的 X 射线光谱由核心能级电子的光吸收触发，构成元素指纹，可有效直接识别材料的元素类型。

“光谱就像指纹，每一个都是独一无二的，并且能够准确地检测出它是什么，”Hla 博士说。

同样来自阿贡国家实验室和俄亥俄大学的 Tolulope Michael Ajayi 补充说：“这项研究中使用的技术和概念得到证实，在 X 射线科学和纳米级研究中开辟了新天地。”

“更重要的是，使用 X 射线检测和表征单个原子可以彻底改变研究，并在量子信息以及环境和医学研究中的微量元素检测等领域催生新技术，仅举几例。这一成就也为先进材料科学仪器开辟了道路。”

除了实现单个原子的 X 射线特征外，该团队的主要目标是使用该技术研究环境对单个稀土原子的影响。

“我们也检测到了单个原子的化学状态，”Hla 博士说。

“通过比较铁原子和铽原子在各自分子主体内的化学状态，我们发现稀土金属铽原子相当孤立，不会改变其化学状态，而铁原子与其强烈相互作用周围。”

该团队的工作发表在《自然》杂志上。