在美國俄亥俄大學(xué)物理學(xué)教授、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Saw?Wai?Hla的帶領(lǐng)下，來自俄亥俄大學(xué)、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、美國伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校和其他機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)獲得了世界上第一個單原子的X射線信號。這項(xiàng)由美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室資助的突破性的成就，可能會徹底改變科學(xué)家探測材料的方式。5月31日，相關(guān)論文發(fā)表于《自然》，并在6月1日登上《自然》紙質(zhì)版的封面。
(相關(guān)資料圖)
自從1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線已被廣泛應(yīng)用——從醫(yī)學(xué)檢查到機(jī)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(shè)備來檢查火星巖石的物質(zhì)組成。X射線在科學(xué)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(shù)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(dāng)于1萬個或更多的原子。這是由于原子產(chǎn)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(xué)家長期以來的夢想就是對一個原子進(jìn)行X射線探測?，F(xiàn)在，由他領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)正在實(shí)現(xiàn)這一夢想。
“用掃描探針顯微鏡可以對原子進(jìn)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(gòu)成的。我們現(xiàn)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(xué)狀態(tài)?！盚la?解釋道，“一旦我們能夠做到這一點(diǎn)，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(xué)科學(xué)產(chǎn)生重大影響，甚至可能找到對人類產(chǎn)生巨大影響的治療方法。這一發(fā)現(xiàn)將改變世界?！?/p>
研究小組選擇了一個鐵原子和一個鋱?jiān)?，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(chǔ)上補(bǔ)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(shù)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(gòu)成元素指紋，可以有效地直接識別樣品的元素類型。
根據(jù)Hla的說法，這些光譜就像指紋一樣，每一個都是獨(dú)一無二的，能夠準(zhǔn)確地檢測出樣品是什么。
“這項(xiàng)研究中使用的技術(shù)和驗(yàn)證的概念，在X射線科學(xué)和納米尺度的研究中開辟了新領(lǐng)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(lǐng)域催生新技術(shù)，同時也為先進(jìn)的材料科學(xué)儀器研發(fā)開辟了道路?！?/p>
過去12年里，Hla與阿貢國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源科學(xué)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(diǎn)是納米和量子科學(xué)，特別強(qiáng)調(diào)在基本層面上理解材料的化學(xué)和物理性質(zhì)——以單個原子為基礎(chǔ)。除了獲得單個原子的X射線特征外，該團(tuán)隊(duì)的主要目標(biāo)是使用該技術(shù)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(xué)狀態(tài)?！盚la解釋說，“通過比較分子宿主內(nèi)鐵原子和鋱?jiān)拥幕瘜W(xué)狀態(tài)，我們發(fā)現(xiàn)鋱?jiān)邮且环N相當(dāng)孤立的稀土金屬，當(dāng)鐵原子與其周圍強(qiáng)烈相互作用時，鋱的化學(xué)狀態(tài)不會改變。”
許多稀土材料用于日常設(shè)備，如手機(jī)、電腦和電視，在創(chuàng)造和推進(jìn)技術(shù)方面極其重要。通過這一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家現(xiàn)在不僅可以確定元素的類型，還可以識別其化學(xué)狀態(tài)，這將使他們能夠更好地操縱不同材料宿主內(nèi)的原子，以滿足各個領(lǐng)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(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06011-w
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