研究人員首次成功直接完成“sigam-hole”成像，即電子電荷包圍住某個特定原子的各向異性模式。
（圖片來源：T. Bellon/捷克有機化學和生物化學學會（IOCB Prague））
西格瑪（σ）孔與黑洞一樣令人難以捉摸。研究人員在近30年前就預測了西格瑪孔的存在，並且一直在努力為這些環狀電子電荷圖案成像。從理論上來說，當鹵素原子與電負性原子共價結合時，由於原子間的排斥性相互作用，電荷圖案應該在鹵素原子周圍形成。捷克共和國科學院的Pavel Jelinek和他的同事們透過直接觀察溴原子周圍的西格瑪孔完成了成像。他們透過更新一種常用於研究單個原子的成像技術完成了這項壯舉。Jelinek認為，瞭解原子的電子電荷分佈是理解單個原子和分子之間相互作用的關鍵。因此，他說，這一成果將有助於更好地理解原子的反應性質，以及當它們結合形成分子時為什麼會排列成特定的結構。
開爾文探針力顯微鏡（圖片來源：維基百科）
為了拍攝影象，Jelinek和他的同事使用了一種被稱為開爾文探針力顯微鏡（Kelvin probe force microscope）的原子顯微鏡。這種顯微鏡將一個原子般鋒利的振動探針懸浮在薄膜樣品上，探針和樣品透過電子方式連線，形成電容器。然後將探頭降低至樣品表面，並記錄該表面在一定電壓範圍內振動頻率的變化。
探針的振動頻率偏移的峰值與材料的功函式有關，功函式包含有關其原子組成和電子狀態的資訊。例如，研究人員使用開爾文探針力顯微鏡來重建具有原子級解析度的表面組成。但要捕捉原子周圍電子的分佈，就需要對小得多的特徵進行成像。
氙原子（圖片來源：維基百科）
為了使用開爾文探針力顯微鏡實現亞原子解析度，Jelinek和他的同事首先完善了他們對該技術的理論理解，然後利用這一理解更新了他們的開爾文探針力顯微鏡設定。例如，研究小組將作用在針尖上的所有不同力分離開來，然後選擇針尖的末端原子，使其對開爾文探針力顯微鏡中使用的靜電力敏感。終端原子的選擇也確保了靜電特徵不會模糊他們想要成像的結構。此前，研究人員使用一氧化碳分子進行開爾文探針力顯微鏡成像，但Jelinek的團隊發現，一氧化碳的四極形極化與西格瑪孔的形狀非常相似，以至於它掩蓋了探測的目標。相比之下，氙原子具有均勻的極化電荷。“從理論上出發，我們立刻發現[氙]是最佳針尖候選者；比以前使用的一氧化碳要好得多，”Jelinek說。
研究小組測試了他們更新後的裝置，將一個含有溴，一個含有氟的兩個分子放置在銀表面。理論預測，溴的電子電荷分佈中應該有一個西格瑪孔，因為它與相鄰原子發生排斥作用，而氟沒有，因為它對相鄰原子的強大吸引力抑制了西格瑪孔的形成。該團隊的實驗影象與這些預測相符。“這些影象與理論驚人地吻合，” Jelinek開玩笑說。
現在該團隊知道了他們的技術具有成像原子周圍電子電荷分佈所需的靈敏度，他們希望用它來研究原子的其他性質。Jelinek關注的一個特性是區域性極化率，也就是一個原子周圍的電子雲對施加電場的區域性反應。“目前還沒有任何技術可以在原子水平上進行測量，”他說。“我認為這將是我們的下一個目標。”
作者：Katherine Wright（Physics副主編）
翻譯：趙書軒
審校：張和持
引進來源；Physics
本文來自：中國數字科技館
