研究人员通过直接观察西格玛孔完成了成像

研究人员首次成功直接完成“sigam-hole”成像，即电子电荷包围住某个特定原子的各向异性模式。

（图片来源：T. Bellon/捷克有机化学和生物化学学会（IOCB Prague））

西格玛（σ）孔与黑洞一样令人难以捉摸。研究人员在近30年前就预测了西格玛孔的存在，并且一直在努力为这些环状电子电荷图案成像。从理论上来说，当卤素原子与电负性原子共价结合时，由于原子间的排斥性相互作用，电荷图案应该在卤素原子周围形成。捷克共和国科学院的Pavel Jelinek和他的同事们通过直接观察溴原子周围的西格玛孔完成了成像。他们通过更新一种常用于研究单个原子的成像技术完成了这项壮举。Jelinek认为，了解原子的电子电荷分布是理解单个原子和分子之间相互作用的关键。因此，他说，这一成果将有助于更好地理解原子的反应性质，以及当它们结合形成分子时为什么会排列成特定的结构。

开尔文探针力显微镜（图片来源：维基百科）

为了拍摄图像，Jelinek和他的同事使用了一种被称为开尔文探针力显微镜（Kelvin probe force microscope）的原子显微镜。这种显微镜将一个原子般锋利的振动探针悬浮在薄膜样品上，探针和样品通过电子方式连接，形成电容器。然后将探头降低至样品表面，并记录该表面在一定电压范围内振动频率的变化。

探针的振动频率偏移的峰值与材料的功函数有关，功函数包含有关其原子组成和电子状态的信息。例如，研究人员使用开尔文探针力显微镜来重建具有原子级分辨率的表面组成。但要捕捉原子周围电子的分布，就需要对小得多的特征进行成像。

氙原子（图片来源：维基百科）

为了使用开尔文探针力显微镜实现亚原子分辨率，Jelinek和他的同事首先完善了他们对该技术的理论理解，然后利用这一理解更新了他们的开尔文探针力显微镜设置。例如，研究小组将作用在针尖上的所有不同力分离开来，然后选择针尖的末端原子，使其对开尔文探针力显微镜中使用的静电力敏感。终端原子的选择也确保了静电特征不会模糊他们想要成像的结构。此前，研究人员使用一氧化碳分子进行开尔文探针力显微镜成像，但Jelinek的团队发现，一氧化碳的四极形极化与西格玛孔的形状非常相似，以至于它掩盖了探测的目标。相比之下，氙原子具有均匀的极化电荷。“从理论上出发，我们立刻发现[氙]是最佳针尖候选者；比以前使用的一氧化碳要好得多，”Jelinek说。

研究小组测试了他们更新后的装置，将一个含有溴，一个含有氟的两个分子放置在银表面。理论预测，溴的电子电荷分布中应该有一个西格玛孔，因为它与相邻原子发生排斥作用，而氟没有，因为它对相邻原子的强大吸引力抑制了西格玛孔的形成。该团队的实验图像与这些预测相符。“这些图像与理论惊人地吻合，” Jelinek开玩笑说。

现在该团队知道了他们的技术具有成像原子周围电子电荷分布所需的灵敏度，他们希望用它来研究原子的其他性质。Jelinek关注的一个特性是局部极化率，也就是一个原子周围的电子云对施加电场的局部反应。“目前还没有任何技术可以在原子水平上进行测量，”他说。“我认为这将是我们的下一个目标。”

作者：Katherine Wright（Physics副主编）

翻译：赵书轩

审校：张和持

引进来源；Physics

本文来自：中国数字科技馆