也许您认为X射线是那些能够穿透身体扫描骨折或牙齿的、略带放射性的奇特射线。当您进行X光检查时，医疗专业人员实质上是利用它来表征您的身体。
许多科学家在类似的角色中使用X射线——只是目标不同。他们扫描的是分子或材料，而不是活体（活体暴露在高功率研究X射线下的寿命可能不长）。过去，科学家们曾对原子批次进行X射线成像，以了解它们的性质并预测这些原子在特定化学反应中的表现。
但迄今为止，没有人能够对单个原子进行X射线成像。物理学家在周三的《自然》杂志上发表的研究中，利用X射线研究了两个不同单个原子内部的结构。
“X射线……已经被用于许多不同的方式，”俄亥俄大学和阿贡国家实验室的物理学家、该论文的作者之一Saw-Wai Hla说。“但人们不知道的方面是惊人的。我们无法测量一个原子——直到现在。”
超越原子快照
表征一个原子不仅仅是为它拍张照片；科学家们早在1955年就已经做过了。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的关键在于其如细菌大小的探针。当科学家将探针置于原子表面上方百万分之一根头发丝的距离时，电子会穿过两者之间的空间，产生电流。探针会检测到这种电流，显微镜则将其转化为图像。（STM还可以拖放原子。1989年，IBM的两名科学家成为了第一批STM艺术家，用氙原子拼写出了“IBM”字母。）
但真正表征一个原子——扫描单个物体，按元素分类，解读其性质，理解其在化学反应中的行为——是一项更加复杂的任务。
X射线使科学家能够表征更大批量的原子。当X射线撞击原子时，它们会将能量传递给这些原子的电子，使其兴奋。当然，美好的事物终将结束，当这些电子回到原状时，它们会以X射线形式释放出它们新获得的能量。科学家们可以研究这种新产生的辐射来研究原子之间的性质。
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这是一个很棒的工具，它极大地帮助了需要调整分子结构的科学家。例如，X射线光谱学（这项过程的名称）帮助创造了COVID-19疫苗。这项技术使科学家能够研究一组原子——识别批次中包含哪些元素以及它们的一般电子构型——但它不能让他们匹配到单个原子。“我们可能可以看到‘哦，这是一整队足球运动员’，‘这是一整队舞者’，但我们却无法识别出单个足球运动员或单个舞者，”阿贡国家实验室的物理学家、另一位作者Volker Rose说。
用高能射线窥探
您无法用牙医诊所的X射线源来制造一个分子处理机。要充分发挥其潜力，您需要一个更明亮、更强大的射线束。您必须去一个称为同步辐射器的粒子加速器。
《自然》杂志的作者使用的设备位于阿贡国家实验室，该实验室在伊利诺伊州平原上建造了一个周长约三分之二英里长的环形，用于加速电子。然而，同步辐射器并不是将粒子相互碰撞，而是让其高速电子通过一个起伏的磁场。当电子通过时，它们会释放出大部分能量，形成X射线束。
作者们将这种X射线束的威力与STM的精度相结合。在这种情况下，X射线使原子的电子能量升高。然而，STM将一些电子拉出，使科学家能够更近距离地观察。科学家们给这个过程起了一个在PlayStation 1滑雪游戏中听起来很合适的名字：同步X射线扫描隧道显微镜（SX-STM）。
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结合X射线和STM并非易事。这不仅仅是简单的技术调整，而是两种由两个完全不同的科学家群体使用的独立技术。让它们协同工作花费了多年的努力。
使用SX-STM，作者们成功地检测了两种不同原子的电子排列：一种是铁原子；另一种是铽原子，一种稀土元素（第65号），常用于含有磁铁的电子设备以及绿色荧光灯。“这是全新的，以前不可能做到，”Rose说。
科学家们认为，他们的技术可以在广泛的领域找到应用。量子计算机可以在原子的电子态中存储信息；研究人员可以使用这项技术来读取它们。如果这项技术普及开来，材料科学家或许能够更精确地控制化学反应。
Hla认为，SX-STM表征可以建立在X射线科学现有工作的基础上。“X射线改变了我们文明中许多人的生活，”他说。例如，了解特定原子做什么对于创造更好的材料和研究蛋白质（或许是为了未来的免疫接种）至关重要。
现在Hla和他的同事们已经证明了一次检查一个或两个原子是可能的，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。”
