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来自俄亥俄大学、阿贡国家实验室、伊利诺伊大学芝加哥分校等的科学家团队，在俄亥俄大学物理学教授和阿贡国家实验室科学家Saw Wai Hla的带领下，拍摄了世界上第一个 X 射线信号 (或签名)只有一个原子。这项突破性的成就由能源部基础能源科学办公室资助，可能会彻底改变科学家检测材料的方式。

自 1895 年被伦琴发现以来，X 射线已被无处不在地使用，从医学检查到机场的安检。就连宇航局的火星探测器好奇号也配备了 X 射线设备，用于检查火星岩石的材料成分。X 射线在科学中的一个重要用途是识别样品中材料的类型。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。迄今为止，可以对样品进行 X 射线检测的最小量为阿克，即大约 10,000 个原子或更多。这是因为原子产生的X射线信号非常微弱，传统的X射线探测器无法探测到。根据 Hla 的说法，

“原子可以用扫描探针显微镜进行常规成像，但如果没有 X 射线，就无法分辨它们是由什么构成的。我们现在可以准确地检测特定原子的类型，一次检测一个原子，并且可以同时测量其化学状态，”同时担任俄亥俄大学纳米尺度和量子现象研究所所长的 Hla 解释说。“一旦我们能够做到这一点，我们就可以将材料追踪到只有一个原子的极限。这将对环境和医学科学产生巨大影响，甚至可能找到对人类产生巨大影响的治疗方法。这一发现将改变世界。”

他们的论文于 2023 年 5 月 31 日发表在科学期刊《自然》 ( DOI 10.1038/s41586-023-06011-w ) 上，并登上了 2023 年 6 月 1 日科学期刊印刷版的封面，详细介绍了 Hla 和几个其他物理学家和化学家，包括博士。俄亥俄州的学生在 Advanced Photon Source 的 XTIP 光束线和阿贡国家实验室的纳米材料中心使用了专用的同步加速器 X 射线仪器。

为了演示，该团队选择了一个铁原子和一个铽原子，它们都插入了各自的分子宿主中。为了检测一个原子的 X 射线信号，研究小组在 X 射线中的传统检测器的基础上增加了一个专用检测器，该检测器由一个尖锐的金属尖端制成，位于非常靠近样品的位置，以收集 X 射线激发的电子——一种称为同步加速器的技术X 射线扫描隧道显微镜或 SX-STM。SX-STM 中的 X 射线光谱由核心能级电子的光吸收触发，构成元素指纹，可有效直接识别材料的元素类型。

根据 Hla 的说法，光谱就像指纹，每一个都是独一无二的，并且能够准确地检测出它是什么。

“这项研究中使用的技术和概念得到证实，在 X 射线科学和纳米级研究中开辟了新天地，”Tolulope Michael Ajayi 说，他是该论文的第一作者，并且作为他的博士学位的一部分从事这项工作。论文。“更重要的是，使用 X 射线检测和表征单个原子可以彻底改变研究，并在量子信息以及环境和医学研究中的微量元素检测等领域催生新技术，仅举几例。这一成就也为先进材料科学仪器开辟了道路。”

在过去的 12 年里，Hla 与阿贡国家实验室高级光子源的科学家 Volker Rose 一起参与了 SX-STM 仪器及其测量方法的开发。

“我已经能够成功指导四名俄亥俄州研究生攻读博士学位。12 年期间与 SX-STM 方法开发相关的论文。我们在检测单个原子 X 射线特征方面已经走了很长一段路，”Hla 说。

Hla 的研究侧重于纳米和量子科学，特别强调在基础层面——基于单个原子——理解材料的化学和物理特性。除了实现单个原子的 X 射线特征外，该团队的主要目标是使用该技术研究环境对单个稀土原子的影响。