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全球首个单原子的X射线，将革新量子技术 | 自然封面
自从1895年伦琴发现X射线以来，X射线已被广泛使用于医疗检查、机场的安全检查等。甚至，美国宇航局的火星车“好奇号(Curiosity)”也配备了一个X射线设备，以检查火星岩石的材料组成。
X射线在科学中的一个重要用途是识别样品中的材料类型。多年来，由于同步辐射X射线源和新仪器的发展，X射线检测所需样品中的材料数量已经大大减少。迄今为止，人们可以用X射线检测样品的最小数量是attogram——也就是大约10,000个原子或更多。
这是由于一个原子产生的X射线信号极其微弱，以至于传统的X射线探测器不能用来探测它。据Hla说，给一个原子照X光是科学家长期以来的梦想，现在由他领导的研究小组正在实现这一梦想。
“我们可以用扫描探针显微镜对原子进行常规成像，但如果没有X射线，人们就无法知道它们是由什么构成的。我们现在可以准确地检测一个特定原子的类型、一次一个原子，并且可以同时测量其化学状态，”Hla解释说，他也是俄亥俄大学纳米和量子现象研究所的主任：“一旦我们能够做到这一点，就可以追踪材料、甚至达到只有一个原子的终极极限。这将对环境和医学科学产生巨大的影响，甚至可能找到一种能对人类产生巨大影响的疗法。这一发现将改变世界。”
他们的论文于2023年5月31日发表在科学杂志《自然》上，并于2023年6月1日成为该科学杂志印刷版的封面。论文详细介绍了Hla和其他几位物理学家和化学家（包括俄亥俄大学的博士生），如何在阿贡国家实验室高级光子源和纳米材料中心的XTIP光束线上使用专门建造的同步辐射X光仪器。
为了进行演示，该团队选择了一个铁原子和一个铽原子(Tb)，两者都插入了各自的分子宿主中。为了检测一个原子的X射线信号，研究小组在X射线中补充了一个专门的检测器，该检测器由一个锋利的金属尖端制成，在极端接近样品的位置收集X射线激发的电子——这种技术被称为同步辐射X射线扫描隧道显微镜(synchrotron X-ray scanning tunneling microscopy, SX-STM)。SX-STM中的X射线光谱是由核心级电子的光吸收引发的：这构成了“元素指纹(elemental fingerprint)”，并能有效地直接识别材料的元素类型。
据Hla说，这些光谱就像指纹一样，每一个都是独一无二的，能够准确地检测出它是什么。
此外，他们还开发了一种名为“X射线激发共振隧穿法(X-ray excited resonance tunneling, X-ERT)”的新方法，使他们能够利用同步辐射X射线检测单个分子的轨道在材料表面如何定向。
Hla说：“这项成就将同步辐射X射线与量子隧穿过程联系起来，以检测单个原子的X射线特征，并开辟了许多令人兴奋的研究方向，包括利用同步辐射X射线对仅仅一个原子的量子和自旋（磁性）特性进行研究。”
“这项研究中所使用的技术和证明的概念，在X射线科学和纳米级研究中打破了新的局面。”该论文的第一作者Tolulope Michael Ajayi说道，做这项工作也是他博士论文的一部分。
“更重要的是，使用X射线来检测和描述单个原子可能会彻底改变研究，并在量子信息和环境及医学研究中的微量元素检测等领域诞生新技术；这项成就也为先进的材料科学仪器开辟了道路。”
在过去的12年里，Hla与阿贡国家实验室高级光子源的科学家Volker Rose一起参与了SX-STM仪器及其测量方法的开发。
“在12年的时间里，我已经成功地指导了四名俄亥俄州研究生进行与SX-STM方法开发有关的博士论文。我们在实现单原子X射线特征检测方面已经取得了很大的进展。”Hla说。
Hla的研究集中于纳米和量子科学，他也特别强调在基础层面——单个原子的基础上，理解材料的化学和物理特性。除了实现一个原子的X射线表征外，该团队的关键目标是使用这种技术来研究环境对单个稀土原子的影响。
“我们也检测了单个原子的化学状态，”Hla解释说：“通过比较一个铁原子和一个铽原子在各自分子宿主内的化学状态，我们发现铽原子——一种稀土金属，是相当孤立的。它不会改变其化学状态，而铁原子与它的周围有强烈的互动。”
现在，许多稀土材料被用于日常设备，如手机、电脑和电视等等，它们在创造和推进技术方面极为重要。通过现在的这一发现，科学家们现在不仅可以确定元素的类型，还可以确定其化学状态，这将使他们能够更好地操纵不同材料主机内部的原子，以满足各个领域不断变化的需求。
展望未来，Hla和他的研究团队将继续使用X射线检测单个原子的属性，并寻找方法进一步革新其应用，用于收集关键材料研究等。
参考链接：[1]https://phys.org/news/2023-05-scientists-world-x-ray-atom.html[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w
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