世界上第一个单原子X射线揭示了最小水平的化学

原子可能没有骨骼，但我们仍然想知道它们是如何组合在一起的。这些微小的粒子是构成所有正常物质（包括我们的骨头）的基础，理解它们将有助于我们理解更大的宇宙。

我们目前可以使用高能X射线来帮助我们理解原子和分子，以及它们是如何排列的，捕捉衍射光束来重建它们的晶体结构。

上图：六个铷和一个铁原子的超分子组装体。扫描隧道显微镜显示了一个铁原子的清晰信号。

现在，科学家们已经使用X射线来表征单个原子的特性，表明这项技术可以用来在物质最微小构件的水平上理解物质。

由俄亥俄大学和美国阿贡国家实验室的物理学家托卢洛普·阿加伊（Tolulope Ajayi）领导的一个国际团队表示：“在这里，我们证明X射线可以用来表征一个原子的元素和化学状态。”

X射线被认为是在原子水平上表征材料的合适探针，因为它们的波长分布与原子的大小相当。

有几种技术可以用X射线照射物体，看看它们是如何在很小的尺度上组合在一起的。其中之一是同步加速器X射线，其中电子沿着圆形轨道加速，直到它们发出明亮的高能光。

上图：铁超分子组装示意图，铁原子为红色，铷为青色。

为了分辨真正精细的尺度，物理学家托卢洛普·阿加伊和他的同事使用了一种将同步辐射X射线与原子尺度成像显微镜技术相结合的技术，称为“扫描隧道显微镜”。这采用了一种优秀的尖端导电探针，该探针与测试材料的电子相互作用，称为“量子隧道”。

在非常接近的地方（比如半纳米），电子的精确位置是不确定的，会将其涂抹在材料和探针之间的空间中；原子的状态就可以在产生的电流中进行测量。

这两种技术统称为“同步加速器X射线扫描隧道显微镜（SX-STM）”。放大的X射线激发样品，针状探测器收集产生的光电子。这是一项令人兴奋的技术，它开启了一些令人难以置信的可能性：去年，该团队发表了一篇关于使用 SX-STM 旋转单个分子的论文。

这一次，他们做得更小，试图测量单个铁原子的性质。他们分别创建了超分子组装，包括铁和铽离子在一个原子环中，也就是所谓的配体。1个铁原子和6个铷原子通过三联吡啶配体连接；铽、氧和溴通过吡啶-2,6-二甲酰胺配体连接。

然后，对这些样品进行 SX-STM 处理。

上图：左图-铽超分子组装示意图，铽为青色，溴为蓝色，氧为红色。左图-铽超分子组装的SX-STM图像。

探测器接收到的光与照射在样品上的光是不一样的。一些波长被原子核中的电子吸收，这意味着在接收到的X射线光谱上有一些较暗的线。

研究小组发现，这些较暗的线条分别与铁和铽吸收的波长一致。吸收光谱也可以分析，以确定这些原子的化学状态。

对于铁原子，有趣的事情发生了。只有当探头尖端正好位于铁原子的超分子结构上方并且非常接近时，才能探测到X射线信号。

研究人员说，这证实了隧道机制中的探测。因为隧穿是一种量子现象，这对研究量子力学具有重要意义。

研究人员表示：“我们的工作，将同步加速器X射线与量子隧道过程联系起来，并开启了未来的X射线实验，以同时表征材料在单原子极限下的元素和化学性质。”

这项研究发表在《自然》杂志上。