自从1895年伦琴发现X-射线以来，它的应用已经无处不在，从医学和环境应用到材料科学。
X-射线表征需要大量的原子，而减少材料的数量是一个长期的目标。
在此，来自美国阿贡国家实验室的Volker Rose & Saw-Wai Hla等研究者证明了X射线可以用来表征一个原子的元素和化学状态。相关论文以题为“Characterization of just one atom using synchrotron X-rays”于2023年05月31日发表在Nature上。
二十世纪中期，同步辐射X射线的发明，彻底改变了材料X射线表征的方式。随着同步辐射光源能力的不断提高，分辨率和测量所需的最小样品量也在不断改进。到目前为止，X射线可以检测到数百万个原子量的样品。
然而，它仍然处于≥104原子的范围内，要获得更小的样品样本变得非常困难。如果X射线能够仅用于检测一个原子，它将进一步将其应用推向前所未有的水平，从量子信息技术到环境和医学研究。
克服这些挑战的一种方法是使用一种特殊的探测器，由一个尖锐的金属尖端制成，放置在样品的极端接近位置以收集X射线激发的电子，这种技术称为同步辐射X射线扫描隧道显微镜(SX-STM)。SX-STM中的X射线光谱是由核心电子的光吸收触发的，这构成了元素指纹，因此SX-STM可以直接识别材料的元素类型。
此外，与进行单独的STM和X射线实验不同，SX-STM可以在相同的样品位置同时进行测量，因此具有优势。SX-STM有两种测量模式：隧穿和远场。在隧穿模式中，X射线激发的隧穿过程占主导地位。在这里，尖端位于隧道范围(约0.5 nm)的样品上方。在远场状态下，尖端与样品的距离约为5nm，这超出了隧穿范围，并且只有X射线射出的电子有助于测量。
在这里，研究者证明了X射线可以用来表征一个原子的元素和化学状态。研究者使用一个专门的尖端作为探测器，可以检测到由铁原子和铽原子与有机配体配合产生的X射线激发电流。
在X射线吸收光谱中，铁原子的L2，3和铽原子的M4，5吸收边信号的指纹清晰可见。
这些原子的化学状态是用近边X射线吸收信号来表征的，其中X射线激发共振隧穿(X-ERT)对铁原子起主导作用。只有当尖端位于原子的正上方且距离极近时，才能检测到X射线信号，这证实了在隧穿状态下的原子局域检测。
研究者的工作将同步加速器X射线与量子隧穿过程联系起来，为在最终单原子极限下同时表征材料的元素和化学性质开辟了未来的X射线实验。
综上所述，从上述实验中可以得出以下结论：(1)在不同部位的STM-XAS光谱中可以检测到Fe信号，而Tb信号则原子地定位(图3d)；(2)在STM-NEXAFS数据中，Fe离子的光谱形状和缺少卫星峰可以通过X-ERT过程进行解释，而Tb离子在尖端和样品通道之间再现了类似的特征(图4a，b)。
由于其屏蔽良好的4f电子，稀土金属对于高科技应用具有诱人的电子和磁性特性。这在研究者的一原子测量中很明显，其中Tb离子的4f轨道被隔离并且不参与与配体的化学键合，而Fe离子的3d轨道则与周围环境高度杂化。
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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