原子可能没有骨头，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的基础(包括我们的骨头)，理解它们有助于我们理解更大的宇宙。

我们目前使用高能X射线光来帮助我们了解原子和分子以及它们的排列方式，捕捉衍射光束来重建它们在晶体形式下的构型。

现在，科学家们使用X射线来表征单个原子的性质，显示了这种技术可以用来理解物质在最小的构建块层面上。

“在这里，”由美国俄亥俄大学和阿贡国家实验室的物理学家阿贾伊(Tolulope Ajayi)领导的国际团队写道，“我们展示了X射线可以用来表征单个原子的元素和化学状态。”

X射线被认为是一种适合于在原子水平表征材料性质的探针，因为它们的波长分布与原子的大小相当。

并且有几种技术可以用来向东西发射X射线，以了解它们在非常小的尺度上是如何组合在一起的。

其中一种是同步辐射X射线，在这种技术中，电子沿着一个圆形轨道加速到发出高能光的程度。

为了试图解决非常细微的尺度，阿贾伊和他的同事们使用了一种将同步辐射X射线与一种用于原子级成像的显微技术结合起来的技术，这种技术称为扫描隧道显微镜。这种技术利用一个非常锋利的导电探针，与测试材料中的电子发生所谓的“量子隧穿”效应。

在非常接近的距离(比如半纳米)，电子的精确位置是不确定的，在材料和探针之间涂抹；然后可以在产生的电流中测量原子的状态。

这两种技术合称为同步辐射X射线扫描隧道显微镜(SX-STM)。放大后的X辐射激发了样品，而针状探测器收集了产生的光电子。这是一种令人兴奋的技术，它开启了一些非常棒的可能性：去年，该团队发表了一篇论文，介绍了使用SX-STM旋转单个分子。

这次，他们又小了一点，试图测量单个铁原子的性质。他们分别制造了超分子组装体，包括铁和铽离子在一个由原子组成的环中，这被称为配体。一个铁和六个铷原子用三联吡啶配体连接；铽、氧和溴用吡啶-2,6-二甲酰胺配体连接。

左：铽超分子组装体的示意图，铽为青色，溴为蓝色，氧为红色。右：铽超分子组装体的SX-STM图像。(Ajayi et al., Nature, 2023)

然后将这些样品进行SX-STM处理。

探测器接收到的光与照射样品时发出的光不同。一些波长被原子核中的电子吸收了，这意味着在X射线光谱上有一些较暗的线条。

这些较暗的线条，研究人员发现，与铁和铽分别吸收的波长相一致。吸收光谱还可以用来确定这些原子的化学状态。

对于铁原子，发生了一些有趣的事情。只有当探针尖端位于其超分子结构中正好在铁原子上方并且非常接近时，才能检测到X射线信号。

这表明检测处于隧穿区域。由于隧穿是一种量子现象，这对于研究量子力学有着重要意义。

研究人员写道：“我们的工作将同步辐射X射线与量子隧穿过程联系起来，并为未来使用X射线同时表征材料元素和化学性质开启了新可能性。”

这可能至少和骨头一样好。

该研究发表在《自然》杂志上。

https://www.sciencealert.com/worlds-first-x-ray-of-a-single-atom-reveals-chemistry-on-the-smallest-level

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