物理学家首次对单个原子进行 X 射线成像

也许您认为 X 射线是一种奇怪的、轻微放射性的波，它穿过您的身体来扫描骨折或牙齿。当您拍摄 X 射线图像时，您的医疗专业人员实际上是在用它来描述您的身体特征。

许多科学家使用 X 射线的作用非常相似——只是目标不同。他们不是扫描生物（生物在暴露于高能研究 X 射线时很可能不会存活很长时间），而是扫描分子或材料。过去，科学家对一批原子进行 X 射线照射，以了解它们是什么，并预测这些原子在特定化学反应中的表现。

但迄今为止，还没有人能够对单个原子进行 X 射线扫描。物理学家利用 X 射线研究了两个不同的单个原子的内部，这项研究于周三发表在《自然》杂志上。

俄亥俄大学和阿贡国家实验室的物理学家、论文作者之一 Saw-Wai Hla 表示：“X 射线……有多种用途。但令人惊讶的是，人们还不知道什么。我们无法测量一个原子——直到现在。”

超越原子快照

表征原子并不意味着只是拍摄原子的照片；科学家们早在 1955 年就首次这样做了。自 20 世纪 80 年代以来，原子摄影师的首选工具一直是扫描隧道显微镜 (STM)。STM 的关键是其细菌大小的尖端。当科学家将尖端移动到原子表面上方一百万分之一头发宽度时，电子会穿过两者之间的空间，产生电流。尖端检测到该电流，然后显微镜将其转换为图像。（STM 还可以拖放原子。1989 年，IBM 的两位科学家成为首批 STM 艺术家，用氙原子拼写出字母“IBM”。）

但实际上表征一个原子——扫描单个物体，根据其元素对其进行分类，解码其属性，了解它在化学反应中的行为——是一项更为复杂的工作。

X 射线使科学家能够表征大批原子。当 X 射线撞击原子时，它们会将能量转移到原子的电子中，从而激发电子。当然，一切美好的事物都有结束的时候，当这些电子落下时，它们会再次以 X 射线的形式释放新获得的能量。科学家可以研究这种新的辐射，以研究中间原子的性质。

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这是一个很棒的工具，对需要修改分子结构的科学家来说，它是一种福音。例如，这个过程被称为 X 射线光谱，它帮助研制了 COVID-19 疫苗。这项技术使科学家能够研究一组原子——识别一批原子中有哪些元素以及它们的电子结构一般是什么——但它不能让科学家将它们与单个原子匹配起来。“我们可能能够看到，‘哦，有一整队足球运动员’和‘有一整队舞者’，但我们无法识别出一个足球运动员或一个舞者，”阿贡国家实验室的物理学家、另一位作者 Volker Rose 说。

使用高功率光束进行观察

你不可能用牙医办公室里的 X 射线源制造出一台分子分析机器。要充分发挥其潜力，你需要一束更亮、更强大的射线。你必须使用一种称为同步加速器的粒子加速器。

《自然》杂志的作者使用的装置位于阿贡国家实验室，它使电子绕着伊利诺伊州平原上一个长三分之二英里的环快速移动。然而，同步加速器并不是让粒子相互碰撞，而是让高速电子穿过一个起伏的磁力环。当电子穿过时，它们会以 X 射线束的形式释放出大部分能量。

作者将这种 X 射线束的威力与 STM 的精度相结合。在这种情况下，X 射线激发了原子的电子。然而，STM 会将一些电子拉出来，让科学家可以更近距离地观察。科学家给这个过程起了一个在 PlayStation 1 滑雪游戏中不会显得格格不入的名字：同步加速器 X 射线扫描隧道显微镜 (SX-STM)。

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将 X 射线和 STM 结合起来并不那么简单。它们不仅仅是简单的技术修补，而是两批完全不同的科学家使用的两种独立技术。让它们协同工作需要多年的努力。

利用 SX-STM，作者成功探测到了两个不同原子内的电子排列：一个是铁原子，另一个是铽原子。铽是一种稀土元素（编号 65），常用于包含磁铁的电子设备以及绿色荧光灯。“这是全新的，以前不可能实现，”罗斯说。

科学家们相信，他们的技术可以应用于广泛的领域。量子计算机可以将信息存储在原子的电子状态中；研究人员可以使用这种技术来读取这些信息。如果这项技术流行起来，材料科学家可能能够以更高的精度控制化学反应。

Hla 认为，SX-STM 表征可以建立在 X 射线科学已经开展的工作之上。“X 射线改变了我们文明中许多人的生活，”他说。例如，了解特定原子的作用对于创造更好的材料和研究蛋白质至关重要，也许对未来的免疫接种有帮助。

现在，Hla 和他的同事已经证明可以一次检测一两个原子，他说，科学家们可以一次性表征整批原子。“如果你能检测到一个原子，”Hla 说，“你就能检测到 10 个原子和 20 个原子。”