单个原子，看起来是什么样？

当提到原子时，你的脑海中浮现的是怎样的画面？一个最广为流传的版本是，电子围绕着原子核在圆形的轨道上运动，就像太阳系中行星绕太阳运动一样。然而，这个原子模型并不准确。

随着人们对量子世界的深入理解，物理学家逐渐了解到，电子可以同时存在于不同的位置。只有当对一个电子进行测量时，它的波函数才会坍缩，从而出现在一个特定的位置。也就是说，如果进行多次测量，并每次都绘制出电子的位置，最终就会得到一个轨道云模式。这才是更接近真实的单原子的画面。

早在2008年，物理学家就成功地用电子显微镜拍摄了单个氢原子的图像。五年后，科学家做到了用“量子显微镜”窥视氢原子的内部，首次直接观察到了电子轨道。

2013年，物理学家用量子显微镜窥视了氢原子的内部。（图/A. S. Stodolna et al.）

近日，《自然》杂志上刊登了一篇新的研究表明，一组物理学家已经获得了首个单个原子的X射线成像。这是一项有望彻底改变科学家探测材料的方式的突破性成就。

无处不在的X射线

物理学家经常使用扫描探针显微镜对原子进行常规成像。它的工作原理是在材料的表面上运行一个非常锋利的尖端，然后根据从尖端读取的信号，形成一个表面的图像。但是，如果没有X射线，科学家就不能分辨样品是由什么组成的。

自1895年伦琴（Wilhelm Röntgen）发现X射线以来，从医学检查到机场安检再到材料科学，X射线的应用可以说是无处不在。即使是发射到太空的探测器，也有许多都配备了X射线设备。

在科学上，X射线的一个重要用途是检测样品中的材料的种类。多年来，随着同步加速器X射线源和新仪器的发展，对样品进行X射线检测时所需的材料的量已经大大减少。

在此之前，科学家已经可以用X射线对质量只有一阿克（一微微微克）的样品进行检测，这大约相当于10000多个原子的质量。然而，这与只对一个原子进行X射线探测仍有很大距离。实现这一目标的主要挑战就在于，一个原子产生的X射线信号极其微弱，传统的X射线探测器无法探测到。

SX-STM

过去的12年里，以Saw-Wai Hla为代表的物理学家一直致力于将同步辐射和量子隧穿结合，进而开发出一种X射线版本的扫描隧穿显微术。他们将这种技术称为同步加速器X射线扫描隧穿显微术（SX-STM）。

当X射线（蓝）照射到铁原子（分子中心的红球）上时，核心能级的电子被激发。然后，X射线激发的电子通过重叠的原子/分子轨道，隧穿到探测器的尖端（灰），提供了铁原子的元素和化学信息。（图/Saw-Wai Hla et al via ohio.edu）

在这项新技术中，研究人员在传统的X射线探测器之外，还使用了一种专门配备了一个尖锐的金属尖端的的探测器。尖端被放置在离样品非常近的地方，当X射线击中样品，并激发核心电子时，电子会隧穿到探测器的尖端。核心能级的电子的光吸收就像指纹一样，可以帮助科学家有效地识别材料中的原子类型。

在新的研究中，Hla与合作者利用SX-STM，对铁和铽（稀土金属）进行了测试。他们将一个铁原子和一个铽原子插入各自的超分子宿主中，成功实现了对单个原子进行准确的类型检测。

左：环状超分子的图像，整个环中只有一个铁原子。右：一个铁原子的X射线特征。（图/Saw-Wai Hla et al via ohio.edu）

不仅如此，他们还同时测得了这些单个原子的化学状态。通过比较铁原子和铽原子在各自的超分子宿主内的化学状态，他们发现铽原子相当孤立，它不会改变化学状态；而铁原子则会与周围的物质产生强烈的相互作用。

技术的革新

这项研究成功地将同步加速器X射线与量子隧穿联系了起来。它实现了对单个原子进行X射线成像，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射线研究单个原子的量子和自旋特性。这将对量子信息、环境科学、医学研究等众多领域产生巨大影响。

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，这种方法使他们可以用同步加速器X射线检测材料表面上的单个分子的轨道方向。未来，研究团队希望能继续使用X射线来检测单个原子的性质，并找到进一步革新其应用的方法。