单原子X射线信号首次探测到，将彻底改变材料检测方式

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科技日报记者 刘霞

来自美国俄亥俄大学、阿贡国家实验室、伊利诺伊大学芝加哥分校等的科学家，首次拍摄到了单原子X射线信号，这一突破性的成就有望彻底改变科学家检测材料的方式，相关研究刊发于5月31日出版的《自然》杂志。

实验示意图。图片来源：物理学家组织网

自1895年伦琴发现X射线以来，X射线已广泛用于从体检到机场安检等多个领域，其在科学领域的重要用途之一是识别样本材料。迄今X射线能检测样品的最小质量约1阿克（1克等于10的18次方阿克），大约有10000个原子。由于单个原子产生的X射线信号非常微弱，因此无法使用传统的X射线探测器探测单个原子。

在最新研究中，阿贡国家实验室的韦·哈拉等人将一个铁原子和一个铽原子插入各自的分子宿主内。为检测单个原子发出的X射线信号，他们在X射线探测器内加入了一个由位于样品附近的尖锐金属尖端制成的专用探测器来收集X射线激发的电子。当X射线照射到原子上时，核心能级的电子被激发，并通过重叠的原子/分子轨道隧穿到探测器尖端，获得的光谱能揭示原子的相关信息。

哈拉表示，最新技术被称为同步加速器X射线扫描隧道显微镜（SX-STM）技术，其中X射线光谱由核心能级电子的光吸收触发，每个光谱都是唯一的，因此他们能够准确检测出原子的“庐山真面目”。他们同时也探测到了单个原子的化学状态：铽原子相当“孤僻”，不会改变其化学状态；而铁原子会与周围环境发生强烈的相互作用。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。

研究团队强调，这项突破将为X射线和纳米科学领域开辟新天地。使用X射线检测和表征单个原子可能会催生量子信息、环境和医学研究微量元素检测等领域的新技术。这一成就也为先进的材料科学仪器开辟了道路。

哈拉等人计划继续使用X射线检测单个原子的性质，并为其找到更好的应用方式，以助力材料等多个领域的研究。