原子可能沒有骨骼，但我們仍然想知道它們是如何組合在一起的。這些微小的粒子是構成所有正常物質（包括我們的骨頭）的基礎，理解它們將有助於我們理解更大的宇宙。我們目前可以使用高能X射線來幫助我們理解原子和分子，以及它們是如何排列的，捕捉衍射光束來重建它們的晶體結構。

上圖：六個銣和一個鐵原子的超分子組裝體。掃描隧道顯微鏡顯示了一個鐵原子的清晰信號。

現在，科學家們已經使用X射線來表徵單個原子的特性，表明這項技術可以用來在物質最微小構件的水平上理解物質。

由俄亥俄大學和美國阿貢國家實驗室的物理學家托盧洛普·阿加伊（Tolulope Ajayi）領導的一個國際團隊表示：“在這裡，我們證明X射線可以用來表徵一個原子的元素和化學狀態。”

X射線被認為是在原子水平上表徵材料的合適探針，因為它們的波長分佈與原子的大小相當。

有幾種技術可以用X射線照射物體，看看它們是如何在很小的尺度上組合在一起的。其中之一是同步加速器X射線，其中電子沿著圓形軌道加速，直到它們發出明亮的高能光。

上圖：鐵超分子組裝示意圖，鐵原子為紅色，銣為青色。

為了分辨真正精細的尺度，物理學家托盧洛普·阿加伊和他的同事使用了一種將同步輻射X射線與原子尺度成像顯微鏡技術相結合的技術，稱為“掃描隧道顯微鏡”。這採用了一種優秀的尖端導電探針，該探針與測試材料的電子相互作用，稱為“量子隧道”。

在非常接近的地方（比如半納米），電子的精確位置是不確定的，會將其塗抹在材料和探針之間的空間中；原子的狀態就可以在產生的電流中進行測量。

這兩種技術統稱為“同步加速器X射線掃描隧道顯微鏡（SX-STM）”。放大的X射線激發樣品，針狀探測器收集產生的光電子。這是一項令人興奮的技術，它開啟了一些令人難以置信的可能性：去年，該團隊發表了一篇關於使用SX-STM 旋轉單個分子的論文。

這一次，他們做得更小，試圖測量單個鐵原子的性質。他們分別創建了超分子組裝，包括鐵和铽離子在一個原子環中，也就是所謂的配體。1個鐵原子和6個銣原子通過三聯吡啶配體連接；铽、氧和溴通過吡啶-2,6-二甲酰胺配體連接。

然後，對這些樣品進行SX-STM 處理。

上圖：左圖-铽超分子組裝示意圖，铽為青色，溴為藍色，氧為紅色。左圖-铽超分子組裝的SX-STM圖像。

探測器接收到的光與照射在樣品上的光是不一樣的。一些波長被原子核中的電子吸收，這意味著在接收到的X射線光譜上有一些較暗的線。

研究小組發現，這些較暗的線條分別與鐵和铽吸收的波長一致。吸收光譜也可以分析，以確定這些原子的化學狀態。

對於鐵原子，有趣的事情發生了。只有當探頭尖端正好位於鐵原子的超分子結構上方並且非常接近時，才能探測到X射線信號。

研究人員說，這證實了隧道機制中的探測。因為隧穿是一種量子現象，這對研究量子力學具有重要意義。

研究人員表示：“我們的工作，將同步加速器X射線與量子隧道過程聯繫起來，並開啟了未來的X射線實驗，以同時表徵材料在單原子極限下的元素和化學性質。”

這項研究發表在《自然》雜誌上。