在美國俄亥俄大學物理學教授、阿貢國家實驗室科學家Saw?Wai?Hla的帶領下，來自俄亥俄大學、阿貢國家實驗室、美國伊利諾伊大學芝加哥分校和其他機構的科學家組成的團隊獲得了世界上第一個單原子的X射線信號。這項由美國能源部基礎能源科學辦公室資助的突破性的成就，可能會徹底改變科學家探測材料的方式。5月31日，相關論文發(fā)表于《自然》，并在6月1日登上《自然》紙質版的封面。
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自從1895年德國物理學家倫琴發(fā)現X射線以來，X射線已被廣泛應用——從醫(yī)學檢查到機場的安全檢查，甚至美國宇航局的火星探測器“好奇號”，也配備了X射線設備來檢查火星巖石的物質組成。X射線在科學上的一個重要用途是鑒定樣品中的材料類型。多年來，由于同步加速器X射線源和新儀器的發(fā)展，X射線檢測需要的樣品材料數量大大減少。到目前為止，一個樣品能用X射線照射的最小量是微微微克，相當于1萬個或更多的原子。這是由于原子產生的X射線信號極其微弱，以致于傳統(tǒng)的X射線探測器無法探測到它。
Hla說，科學家長期以來的夢想就是對一個原子進行X射線探測?，F在，由他領導的研究團隊正在實現這一夢想。
“用掃描探針顯微鏡可以對原子進行常規(guī)成像，但是沒有X射線，人們就無法知道它們是由什么構成的。我們現在可以精確地檢測出特定原子的類型，一次一個原子，并且可以同時測量它的化學狀態(tài)。”Hla?解釋道，“一旦我們能夠做到這一點，就可以追蹤這些材料到一個原子的極限。這將對環(huán)境和醫(yī)學科學產生重大影響，甚至可能找到對人類產生巨大影響的治療方法。這一發(fā)現將改變世界?！?/p>
研究小組選擇了一個鐵原子和一個鋱原子，它們都被插入各自的分子宿主中。為了檢測一個原子的X射線信號，研究小組在傳統(tǒng)X射線探測器的基礎上補充了一個專門的探測器，該探測器由位于樣品附近的尖銳金屬端制成，用來收集X射線激發(fā)的電子——這種技術被稱為同步加速器X射線掃描隧道顯微鏡（SX-STM）。SX-STM中的X射線光譜是由核心能級電子的光吸收觸發(fā)的，構成元素指紋，可以有效地直接識別樣品的元素類型。
根據Hla的說法，這些光譜就像指紋一樣，每一個都是獨一無二的，能夠準確地檢測出樣品是什么。
“這項研究中使用的技術和驗證的概念，在X射線科學和納米尺度的研究中開辟了新領域?！闭撐牡谝蛔髡逿olulope?Michael?Ajayi說，“更重要的是，使用X射線探測和表征單個原子可能會給研究帶來革命性變化，并在量子信息、微量元素檢測等領域催生新技術，同時也為先進的材料科學儀器研發(fā)開辟了道路。”
過去12年里，Hla與阿貢國家實驗室先進光源科學家Volker?Rose一起參與了SX-STM儀器及其測量方法的開發(fā)。
Hla的研究重點是納米和量子科學，特別強調在基本層面上理解材料的化學和物理性質——以單個原子為基礎。除了獲得單個原子的X射線特征外，該團隊的主要目標是使用該技術研究環(huán)境對單個稀土原子的影響。
“我們也檢測到了單個原子的化學狀態(tài)?！盚la解釋說，“通過比較分子宿主內鐵原子和鋱原子的化學狀態(tài)，我們發(fā)現鋱原子是一種相當孤立的稀土金屬，當鐵原子與其周圍強烈相互作用時，鋱的化學狀態(tài)不會改變?！?/p>
許多稀土材料用于日常設備，如手機、電腦和電視，在創(chuàng)造和推進技術方面極其重要。通過這一發(fā)現，科學家現在不僅可以確定元素的類型，還可以識別其化學狀態(tài)，這將使他們能夠更好地操縱不同材料宿主內的原子，以滿足各個領域不斷變化的需求。此外，他們還開發(fā)了一種名為X射線激發(fā)共振隧道（X-ERT）的新方法，使他們能夠使用同步加速器X射線檢測材料表面上單個分子的軌道方向。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06011-w
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