六个铷和一个铁原子的超分子组装体。扫描隧道显微镜揭示了一个铁原子的清晰信号。 （Ajayi 等人，《自然》，2023）
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。这些微小的粒子是所有正常物质（包括我们的骨骼）构建的基础，了解它们有助于我们了解更大的宇宙。
目前，我们使用高能 X 射线来帮助我们了解原子和分子以及它们的排列方式，捕捉衍射光束以重建它们的晶体结构。
现在，科学家们已经使用 X 射线来表征单个原子的特性，表明该技术可用于理解物质最微小的组成部分。
“这里，”撰写国际团队由俄亥俄大学和美国阿贡国家实验室的物理学家 Tolulope Ajayi 领导，“我们证明 X 射线可用于表征单个原子的元素和化学状态。”
X 射线被认为是在原子水平上表征材料的合适探针，因为它们的波长分布与原子的尺寸相当。
有几种技术可以用 X 射线照射物体，看看它是如何在非常小的尺度上组合在一起的。
其中之一是同步加速器X射线，其中电子沿着圆形轨道加速，直到它们发出高能光明亮的光。
为了尝试解析真正精细的尺度，Ajayi 和他的同事使用了一种将同步加速器 X 射线与原子尺度成像显微镜技术相结合的技术，称为扫描隧道显微镜。它采用了一种出色的尖头导电探针，可以与测试材料的电子相互作用，即所谓的“量子隧道效应”。
在非常接近的距离（例如半纳米）处，电子的精确位置是不确定的，它会涂抹在材料和探针之间的空间中；然后可以在产生的电流中测量原子的状态。
这两种技术一起被称为同步加速器 X 射线扫描隧道显微镜 (SX-STM)。放大的 X 辐射激发样品，针状探测器收集产生的光电子。这是一项令人兴奋的技术，开启了一些非常令人难以置信的可能性：去年，该团队发表了一篇关于使用 SX-STM 的论文旋转单个分子。
这一次，他们变得更小，试图测量单个铁原子的特性。他们分别创建了超分子组装体，包括原子环内的铁和铽离子，即所谓的配体。 1个铁原子和6个铷原子与三联吡啶配体连接；铽、氧和溴使用吡啶-2,6-二甲酰胺配体连接。
然后对这些样品进行 SX-STM。
检测器接收到的光与照射到样品上的光不同。某些波长被原子核中的电子吸收，这意味着接收到的 X 射线光谱上有一些较暗的线。
研究小组发现，这些较暗的线分别与铁和铽吸收的波长一致。还可以分析吸收光谱以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。只有当探针尖端恰好位于超分子结构中的铁原子上方并且非常接近时，才能检测到 X 射线信号。
研究人员表示，这证实了隧道机制中的检测。由于隧道效应是一种量子现象，因此这对研究量子力学具有重要意义。
“我们的工作，”研究人员写道，“将同步加速器 X 射线与量子隧道过程联系起来，并开启未来的 X 射线实验，以在最终的单原子极限下同时表征材料的元素和化学性质。”
这可能至少和骨头一样好。
该研究发表于自然。
