自從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X-射線以來，它的應用已經(jīng)無處不在，從醫(yī)學和環(huán)境應用到材料科學。
X-射線表征需要大量的原子，而減少材料的數(shù)量是一個長期的目標。
在此，來自美國阿貢國家實驗室的Volker Rose & Saw-Wai Hla等研究者證明了X射線可以用來表征一個原子的元素和化學狀態(tài)。相關(guān)論文以題為“Characterization of just one atom using synchrotron X-rays”于2023年05月31日發(fā)表在Nature上。
二十世紀中期，同步輻射X射線的發(fā)明，徹底改變了材料X射線表征的方式。隨著同步輻射光源能力的不斷提高，分辨率和測量所需的最小樣品量也在不斷改進。到目前為止，X射線可以檢測到數(shù)百萬個原子量的樣品。
然而，它仍然處于≥104原子的范圍內(nèi)，要獲得更小的樣品樣本變得非常困難。如果X射線能夠僅用于檢測一個原子，它將進一步將其應用推向前所未有的水平，從量子信息技術(shù)到環(huán)境和醫(yī)學研究。
克服這些挑戰(zhàn)的一種方法是使用一種特殊的探測器，由一個尖銳的金屬尖端制成，放置在樣品的極端接近位置以收集X射線激發(fā)的電子，這種技術(shù)稱為同步輻射X射線掃描隧道顯微鏡(SX-STM)。SX-STM中的X射線光譜是由核心電子的光吸收觸發(fā)的，這構(gòu)成了元素指紋，因此SX-STM可以直接識別材料的元素類型。
此外，與進行單獨的STM和X射線實驗不同，SX-STM可以在相同的樣品位置同時進行測量，因此具有優(yōu)勢。SX-STM有兩種測量模式：隧穿和遠場。在隧穿模式中，X射線激發(fā)的隧穿過程占主導地位。在這里，尖端位于隧道范圍(約0.5 nm)的樣品上方。在遠場狀態(tài)下，尖端與樣品的距離約為5nm，這超出了隧穿范圍，并且只有X射線射出的電子有助于測量。
在這里，研究者證明了X射線可以用來表征一個原子的元素和化學狀態(tài)。研究者使用一個專門的尖端作為探測器，可以檢測到由鐵原子和鋱原子與有機配體配合產(chǎn)生的X射線激發(fā)電流。
在X射線吸收光譜中，鐵原子的L2，3和鋱原子的M4，5吸收邊信號的指紋清晰可見。
這些原子的化學狀態(tài)是用近邊X射線吸收信號來表征的，其中X射線激發(fā)共振隧穿(X-ERT)對鐵原子起主導作用。只有當尖端位于原子的正上方且距離極近時，才能檢測到X射線信號，這證實了在隧穿狀態(tài)下的原子局域檢測。
研究者的工作將同步加速器X射線與量子隧穿過程聯(lián)系起來，為在最終單原子極限下同時表征材料的元素和化學性質(zhì)開辟了未來的X射線實驗。
綜上所述，從上述實驗中可以得出以下結(jié)論：(1)在不同部位的STM-XAS光譜中可以檢測到Fe信號，而Tb信號則原子地定位(圖3d)；(2)在STM-NEXAFS數(shù)據(jù)中，F(xiàn)e離子的光譜形狀和缺少衛(wèi)星峰可以通過X-ERT過程進行解釋，而Tb離子在尖端和樣品通道之間再現(xiàn)了類似的特征(圖4a，b)。
由于其屏蔽良好的4f電子，稀土金屬對于高科技應用具有誘人的電子和磁性特性。這在研究者的一原子測量中很明顯，其中Tb離子的4f軌道被隔離并且不參與與配體的化學鍵合，而Fe離子的3d軌道則與周圍環(huán)境高度雜化。
Ajayi, T.M., Shirato, N., Rojas, T.?et al.?Characterization of just oneatom using synchrotron X-rays.?Nature?618, 69–73 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06011-w
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06011-w
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