自從1895年倫琴發現X-射線以來，它的應用已經無處不在，從醫學和環境應用到材料科學。
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。相關論文以題為“Characterization of just one atom using synchrotron X-rays”于2023年05月31日發表在Nature上。
二十世紀中期，同步輻射X射線的發明，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射線可以檢測到數百萬個原子量的樣品。
然而，它仍然處于≥104原子的范圍內，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，從量子信息技術到環境和醫學研究。
克服這些挑戰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射線激發的電子，這種技術稱為同步輻射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的，這構成了元素指紋，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。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生的X射線激發電流。
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是用近邊X射線吸收信號來表征的，其中X射線激發共振隧穿(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數據中，Fe離子的光譜形狀和缺少衛星峰可以通過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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