科学家在《bet8网页登录》杂志上报道了世界上第一次单个原子的x射线

来自bet8九州登录入口的一组科学家, 阿贡国家实验室, 伊利诺伊大学芝加哥分校, 和其他人, 由bet8九州登录入口教授领导 物理阿贡国家实验室的科学家， 苏伟赫, 获得了世界上第一个单原子的x射线信号(或SIGNATURE). 这项突破性的成就是由美国政府资助的.S. 能源部, 基础能源科学办公室，并可能彻底改变科学家探测材料的方式.

自1895年伦琴发现以来, x射线已被广泛bet8九州登录入口, 从医疗检查到机场安检. 即使是好奇心, 美国宇航局的火星探测器, 它配备了x射线装置来检查火星岩石的物质组成. x射线在科学上的一个重要用途是鉴定样品中材料的种类. 多年来, 由于同步加速器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大大减少. 到目前为止, 一个样品可以用x射线照射的最小量是一个图, 大概是10个,000个原子或更多. 这是由于原子产生的x射线信号极其微弱，以致于传统的x射线探测器无法探测到它. 根据Hla, 对一个原子进行x射线照射是科学家们长期以来的梦想, 他领导的研究小组正在实现这一点.

“原子可以用扫描探针显微镜进行常规成像, 但是没有x光，人们就无法分辨它们是由什么组成的. 我们现在可以准确地探测到特定原子的类型, 一个atom-at-a-time,  并且可以同时测量它的化学状态,Hla解释道, 谁也是导演 纳米尺度和量子现象研究所 在bet8九州登录入口. “一旦我们能够做到这一点，我们就可以追踪材料的最终极限，只有一个原子. 这将对环境和医学科学产生巨大影响，甚至可能找到一种对人类产生巨大影响的治疗方法. 这一发现将改变世界.”

他们的论文发表在科学杂志上 自然 (DOI 10.1038/s41586-023-06011-w) 2023年5月31日，以及 为科学杂志印刷版的封面增色 在2023年6月1日，详细介绍了Hla和其他几位物理学家和化学家，包括Ph.D. bet8九州登录入口的学生, 在先进光子源的XTIP光束线和纳米材料中心使用了专用的同步加速器x射线仪器 阿贡国家实验室.

出于演示, 研究小组选择了一个铁原子和一个铽原子, 两者都插入到各自的分子宿主中. 探测单个原子的x射线信号, 研究小组用一种特殊的探测器来补充传统的x射线探测器，这种探测器由一个锋利的金属尖端制成，放置在离样品非常近的地方，以收集x射线激发的电子——这种技术被称为同步加速器x射线扫描隧道显微镜或SX-STM. SX-STM中的x射线光谱是由核心能级电子的光吸收触发的, 什么构成元素指纹，并能有效地直接识别材料的元素类型.

根据Hla, 光谱就像指纹, 每一个都是独一无二的，能够准确地检测到它是什么.

使用的技术, 这个概念在这项研究中得到了证实, 在x射线科学和纳米尺度研究方面开辟了新天地,Tolulope Michael Ajayi说, 谁是这篇论文的第一作者，并把这项工作作为他博士学位的一部分.D. 论文. “更, 使用x射线探测和表征单个原子可以彻底改变研究，并在量子信息和检测环境和医学研究中的微量元素等领域催生新技术, 举几个例子. 这一成就也为先进材料科学仪器的发展开辟了道路.” 

过去的12年, Hla与Volker Rose一起参与了SX-STM仪器及其测量方法的开发, 他是阿贡国家实验室先进光子源的科学家.

“我已经成功地指导了四名俄亥俄州的研究生攻读博士学位.D. 关于SX-STM方法发展的12年的论文. 我们在实现单原子x射线特征探测方面已经走了很长的路，”Hla说.

Hla的研究重点是纳米和量子科学，特别强调在基本水平上理解材料的化学和物理性质-以单个原子为基础. 除了实现一个原子的x射线特征, 该团队的主要目标是利用这项技术来研究环境对单个稀土原子的影响.

Hla解释说:“我们也检测到了单个原子的化学状态。. “通过比较各自分子宿主内铁原子和铽原子的化学状态, 我们发现铽原子, 一种稀土金属, 是相当孤立的，当铁原子与其周围的原子强烈相互作用时，它的化学状态不会改变.”

许多稀土材料被用于日常设备中, 比如手机, 电脑和电视, 举几个例子, 在创造和推进技术方面非常重要. 通过这个发现, 科学家们现在不仅能确定元素的类型，还能确定它的化学状态, 这将使他们能够更好地操纵不同材料宿主内部的原子，以满足各个领域不断变化的需求. 此外, 他们还开发了一种名为“x射线激发共振隧道或X-ERT”的新方法，该方法允许他们使用同步加速器x射线检测材料表面上单个分子的轨道方向.

“这一成就将同步加速器x射线与量子隧道过程联系起来，探测单个原子的x射线特征，并开辟了许多令人兴奋的研究方向，包括使用同步加速器x射线研究单个原子的量子和自旋(磁性)特性。,Hla说.

除了Ajayi，其他几名俄亥俄的研究生，包括现任博士.D. Sineth Premarathna(物理)和Xinyue Cheng(化学)，以及Ph ..D. 物理学校友Sanjoy Sarkar, Shaoze Wang, Kyaw Zin Latt, Tomas Rojas和Anh T. 非政府组织, 现为伊利诺伊大学芝加哥分校化学工程副教授, 参与了这项研究吗. 艺术与科学学院罗尼克教授兼化学教授 埃里克·马森 设计并合成了本研究中使用的稀土分子.

展望未来, Hla和他的研究小组将继续使用x射线来检测一个原子的性质，并找到进一步革新其bet8九州登录入口的方法，用于收集关键材料的研究等.