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實驗示意圖。圖片來源：物理學家組織網

科技日報記者?劉霞

來自美國俄亥俄大學、阿貢國家實驗室、伊利諾伊大學芝加哥分校等的科學家，首次拍攝到了單原子X射線信號，這一突破性的成就有望徹底改變科學家檢測材料的方式，相關研究刊發于5月31日出版的《自然》雜志。

自1895年倫琴發現X射線以來，X射線已廣泛用于從體檢到機場安檢等多個領域，其在科學領域的重要用途之一是識別樣本材料。迄今X射線能檢測樣品的最小質量約1阿克（1克等于10的18次方阿克），大約有10000個原子。由于單個原子產生的X射線信號非常微弱，因此無法使用傳統的X射線探測器探測單個原子。

在最新研究中，阿貢國家實驗室的韋·哈拉等人將一個鐵原子和一個鋱原子插入各自的分子宿主內。為檢測單個原子發出的X射線信號，他們在X射線探測器內加入了一個由位于樣品附近的尖銳金屬尖端制成的專用探測器來收集X射線激發的電子。當X射線照射到原子上時，核心能級的電子被激發，并通過重疊的原子/分子軌道隧穿到探測器尖端，獲得的光譜能揭示原子的相關信息。

哈拉表示，最新技術被稱為同步加速器X射線掃描隧道顯微鏡（SX-STM）技術，其中X射線光譜由核心能級電子的光吸收觸發，每個光譜都是唯一的，因此他們能夠準確檢測出原子的“廬山真面目”。他們同時也探測到了單個原子的化學狀態：鋱原子相當“孤僻”，不會改變其化學狀態；而鐵原子會與周圍環境發生強烈的相互作用。這將使他們能夠更好地操縱不同材料宿主內的原子，以滿足各個領域不斷變化的需求。

研究團隊強調，這項突破將為X射線和納米科學領域開辟新天地。使用X射線檢測和表征單個原子可能會催生量子信息、環境和醫學研究微量元素檢測等領域的新技術。這一成就也為先進的材料科學儀器開辟了道路。

哈拉等人計劃繼續使用X射線檢測單個原子的性質，并為其找到更好的應用方式，以助力材料等多個領域的研究。

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