科学家首次实现单原子X射线探测

本文转自：中国科学报

本报讯 在美国俄亥俄州立大学物理学教授、阿贡国家实验室科学家Saw Wai Hla的带领下，来自俄亥俄州立大学、阿贡国家实验室、美国伊利诺伊大学芝加哥分校和其他机构的科学家团队获得了世界上第一个单原子的X射线信号。这项由美国能源部基础能源科学办公室资助的突破性成就，可能会彻底改变科学家探测材料的方式。相关论文6月1日登上了《自然》杂志封面。

从医学检查到机场安全检查，自从德国物理学家伦琴于1895年发现X射线以来，已被广泛应用，甚至美国宇航局的“好奇号”火星探测器也配备了X射线设备，用来检查火星岩石的物质组成。X射线在科学上的一个重要用途是鉴定样品的材料类型。多年来，由于同步加速器X射线源和新仪器的发展，X射线检测需要的样品材料数量已大大减少。迄今为止，一个样品用X射线照射的最小量为微微微克，相当于1万个左右的原子。这是因为原子产生的X射线信号极其微弱，以至于传统的X射线探测器很难探测到它们。

Hla说，科学家长期以来的梦想就是对1个原子进行X射线探测。现在，他领导的研究团队正在实现这一梦想。

“用扫描探针显微镜可以对原子进行常规成像，但没有X射线，人们就无法知道它们是由什么构成的。我们现在可以精确地检测出特定原子的类型，一次1个原子，并且可以同时测量它的化学状态。”Hla解释道，“一旦我们能够做到这一点，就可以将这些材料追踪到1个原子的极限。这将对环境和医学科学产生重大影响，甚至可能找到对人类产生巨大影响的治疗方法。这一发现将改变世界。”

研究小组选择了1个铁原子和1个铽原子，它们都被插入各自的分子中。为了检测1个原子的X射线信号，研究小组在传统X射线探测器的基础上补充了一个专门的探测器，后者由位于样品附近的尖锐金属端制成，用来收集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射线光谱是由核心能级电子的光吸收触发的，它构成了元素指纹，可以直接有效识别样品的元素类型。

根据Hla的说法，这些光谱就像指纹一样，每一个都是独一无二的，能够准确检测出样品是什么。

“这项研究中使用的技术和验证的概念，开辟了X射线科学和纳米尺度研究的新领域。”论文第一作者Tolulope Michael Ajayi说，“更重要的是，使用X射线探测和表征单个原子可能会为研究带来革命性变化，并在量子信息、微量元素检测等领域催生新技术，同时也为研发先进的材料科学仪器开辟了道路。”

过去12年里，Hla与阿贡国家实验室先进光源科学家Volker Rose一起参与了SX-STM仪器及其测量方法的开发。

Hla的研究重点是纳米和量子科学，特别强调在单个原子基础上理解材料的化学和物理性质。除了获得单个原子的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。

“我们检测到了单个原子的化学状态。”Hla解释说，“通过比较铁原子和铽原子在分子内的化学状态，我们发现铽原子是一种相当孤立的稀土金属，不会改变其化学状态；而铁原子则与周围环境发生强烈的相互作用。”

许多稀土材料用于日常设备，如手机、电脑和电视，在创造和推进技术方面极其重要。通过这一发现，科学家现在不仅可以确定元素的类型，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内的原子，以满足各领域不断变化的需求。此外，他们还开发了一种名为X射线激发共振隧道（X-ERT）的新方法，使其能够使用同步加速器X射线检测材料表面单个分子的轨道方向。