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實(shí)驗(yàn)示意圖。圖片來源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
科技日?qǐng)?bào)記者?劉霞
來自美國俄亥俄大學(xué)、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校等的科學(xué)家，首次拍攝到了單原子X射線信號(hào)，這一突破性的成就有望徹底改變科學(xué)家檢測材料的方式，相關(guān)研究刊發(fā)于5月31日出版的《自然》雜志。
自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線已廣泛用于從體檢到機(jī)場安檢等多個(gè)領(lǐng)域，其在科學(xué)領(lǐng)域的重要用途之一是識(shí)別樣本材料。迄今X射線能檢測樣品的最小質(zhì)量約1阿克（1克等于10的18次方阿克），大約有10000個(gè)原子。由于單個(gè)原子產(chǎn)生的X射線信號(hào)非常微弱，因此無法使用傳統(tǒng)的X射線探測器探測單個(gè)原子。
在最新研究中，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的韋·哈拉等人將一個(gè)鐵原子和一個(gè)鋱?jiān)硬迦敫髯缘姆肿铀拗鲀?nèi)。為檢測單個(gè)原子發(fā)出的X射線信號(hào)，他們?cè)赬射線探測器內(nèi)加入了一個(gè)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(fā)的電子。當(dāng)X射線照射到原子上時(shí)，核心能級(jí)的電子被激發(fā)，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(guān)信息。
哈拉表示，最新技術(shù)被稱為同步加速器X射線掃描隧道顯微鏡（SX-STM）技術(shù)，其中X射線光譜由核心能級(jí)電子的光吸收觸發(fā)，每個(gè)光譜都是唯一的，因此他們能夠準(zhǔn)確檢測出原子的“廬山真面目”。他們同時(shí)也探測到了單個(gè)原子的化學(xué)狀態(tài)：鋱?jiān)酉喈?dāng)“孤僻”，不會(huì)改變其化學(xué)狀態(tài)；而鐵原子會(huì)與周圍環(huán)境發(fā)生強(qiáng)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(nèi)的原子，以滿足各個(gè)領(lǐng)域不斷變化的需求。
研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)突破將為X射線和納米科學(xué)領(lǐng)域開辟新天地。使用X射線檢測和表征單個(gè)原子可能會(huì)催生量子信息、環(huán)境和醫(yī)學(xué)研究微量元素檢測等領(lǐng)域的新技術(shù)。這一成就也為先進(jìn)的材料科學(xué)儀器開辟了道路。
哈拉等人計(jì)劃繼續(xù)使用X射線檢測單個(gè)原子的性質(zhì)，并為其找到更好的應(yīng)用方式，以助力材料等多個(gè)領(lǐng)域的研究。
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