科学家报告世界上第一个单原子的X射线

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当X射线（蓝色）照射到铁原子（分子中心的红球）上时，核心级电子被激发。然后，X射线激发的电子通过重叠的原子/分子轨道隧道到达探测器尖端（灰色），这些轨道提供铁原子的元素和化学信息。资料来源：Saw-Wai Hla

来自俄亥俄大学，阿贡国家实验室，伊利诺伊大学芝加哥分校和其他大学的科学家团队，由俄亥俄大学物理学教授和阿贡国家实验室科学家Saw Wai Hla领导，已经拍摄了世界上第一个X射线信号（或签名）只有一个原子。这一突破性成就可能会彻底改变科学家检测材料的方式。

自1895年伦琴发现X射线以来，X射线无处不在，从体检到机场的安全检查。就连美国宇航局的火星探测器好奇号也配备了X射线装置，可以检查火星岩石的物质成分。X射线在科学中的一个重要用途是识别样品中的材料类型。多年来，由于同步加速器X射线源和新仪器的发展，X射线检测所需的样品中的材料数量大大减少。迄今为止，可以对样品进行X射线检查的最小量是阿克，即大约10，000个原子或更多。这是由于原子产生的X射线信号非常弱，因此传统的X射线探测器无法用于检测它。根据Hla的说法，科学家长期以来的梦想是X射线一个原子，现在由他领导的研究团队正在实现。

“原子可以用扫描探针显微镜常规成像，但没有X射线，就无法分辨它们是由什么组成的。我们现在可以精确地检测特定原子的类型，一次一个原子，并且可以同时测量其化学状态，“Hla解释说，他也是俄亥俄大学纳米尺度和量子现象研究所所长。“一旦我们能够做到这一点，我们就可以将材料追溯到一个原子的最终极限。这将对环境和医学科学产生重大影响，甚至可能找到一种对人类产生巨大影响的治疗方法。这一发现将改变世界。

他们的论文于 2023 年 5 月 31 日发表在科学杂志《自然》上，并于 2023 年 6 月 1 日登上了该科学期刊印刷版的封面，详细介绍了 Hla 和其他几位物理学家和化学家，包括俄亥俄州的博士生，如何在先进光子源的 XTIP 光束线和阿贡国家实验室纳米级材料中心使用专用的同步加速器 X 射线仪器。

为了演示，研究小组选择了一个铁原子和一个铽原子，两者都插入各自的分子宿主中。为了检测一个原子的X射线信号，研究小组用一种专门的探测器补充了X射线中的传统探测器，该探测器由位于样品非常靠近的锋利金属尖端制成，以收集X射线激发的电子 - 这种技术称为同步加速器X射线扫描隧道显微镜或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。

根据Hla的说法，光谱就像指纹一样，每个指纹都是独一无二的，能够准确地检测到它是什么。

“所使用的技术和在这项研究中证明的概念在X射线科学和纳米尺度研究中开辟了新的天地，”Tolulope Michael Ajayi说，他是该论文的第一作者，并将这项工作作为博士论文的一部分。“更重要的是，使用X射线来检测和表征单个原子可能会彻底改变研究，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产生新技术，仅举几例。这一成就也为先进材料科学仪器开辟了道路。

（左）环形超分子的图像，其中整个环中仅存在一个Fe原子。（右）只有一个Fe原子的X射线特征。资料来源：Saw-Wai Hla

在过去的12年里，Hla一直与阿贡国家实验室先进光子源的科学家Volker Rose一起参与SX-STM仪器及其测量方法的开发。

“在12年的时间里，我已经成功地指导了四名俄亥俄州研究生的博士论文，这些论文与SX-STM方法开发有关。我们在实现单个原子X射线特征的检测方面已经走了很长一段路，“Hla说。

Hla的研究重点是纳米和量子科学，特别强调在单个原子的基础上，在基本水平上理解材料的化学和物理性质。除了实现一个原子的X射线特征外，该团队的主要目标是使用这种技术来研究对单个稀土原子的环境影响。

“我们也检测到单个原子的化学状态，”Hla解释说。“通过比较各自分子宿主内的铁原子和铽原子的化学状态，我们发现铽原子是一种稀土金属，是相当孤立的，不会改变其化学状态，而铁原子与周围环境强烈相互作用。

许多稀土材料用于日常设备，例如手机，计算机和电视，仅举几例，并且在创造和推进技术方面极为重要。通过这一发现，科学家们现在不仅可以识别元素的类型，还可以识别其化学状态，这将使他们能够更好地操纵不同材料宿主内的原子，以满足各个领域不断变化的需求。此外，他们还开发了一种称为“X射线激发共振隧穿或X-ERT”的新方法，该方法使他们能够使用同步加速器X射线检测单个分子的轨道如何在材料表面上定向。

“这一成就将同步加速器X射线与量子隧穿过程联系起来，以检测单个原子的X射线特征，并开辟了许多令人兴奋的研究方向，包括使用同步加速器X射线研究一个原子的量子和自旋（磁）特性，”Hla说。

除了Ajayi之外，其他几名俄亥俄州的研究生，包括物理学博士生Sineth Premarathna和化学Xinyue Cheng，以及物理学博士校友Sanjoy Sarkar，Shaoze Wang，Kyaw Zin Latt，Tomas Rojas和Anh T. Ngo，现任伊利诺伊大学芝加哥分校化学工程副教授，参与了这项研究。艺术与科学学院Roenigk主席兼化学教授Eric Masson设计并合成了本研究中使用的稀土分子。

展望未来，Hla和他的研究团队将继续使用X射线来检测一个原子的特性，并找到进一步革新其应用的方法，以用于收集关键材料研究等。

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原标题：《『科学家报告世界上第一个单原子的X射线》

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