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新技术为单个原子成像铺平道路

新技术为单个原子成像铺平道路

2025-02-18 23:24:02阅读量：15 字体：大中小

一个国际研究小组首次成功地将X射线用于利用光的特定量子特性的成像技术。正如研究人员在刚刚发表在《物理评论快报》杂志上的工作中所描述的那样（“通过X射线荧光光子的相关性成像”），这项技术可以实现非结晶大分子的成像。由德国科学家领导的研究团队使用来自欧洲XFEL X射线自由电子激光器的非常强烈的X射线脉冲产生荧光光子，这些光子几乎同时到达探测器，时间窗口短于飞秒。通过计算被照射的铜原子发射的X射线荧光的光子-光子相关性，可以获得发射的图像。

独立光源发出的光，如原子发出的荧光，在随机时间产生波，从而产生随机相位的波。如果在相干时间内测量，则该光将发生干涉并产生散斑图案，如背景图像中所示。这种模式不是固定的，并且许多这样的模式的总和将平均为均匀分布。然而，如果相反地从每个模式计算对相关性，然后求和，则随机相位将平均，以留下源的空间频率内容（q向量）的映射。材料和大分子的结构通常是使用X射线晶体学在原子尺度上确定的。虽然该技术依赖于相干X射线散射，但荧光发射等非相干过程可能占主导地位，尽管它们对衍射测量没有有用的贡献。相反，它们为测量数据添加了一个无特征的雾或背景。

但早在20世纪50年代，两位英国天文学家就证明了从自发光源发出的这种光中提取结构信息确实是可能的——在他们的例子中是从恒星中提取的。Robert Hanbury-Brown和Richard Twiss的方法——称为强度干涉测量法——为理解光打开了一扇新的大门，开启了量子光学领域。最近，来自爱尔兰根大学、马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所和DESY的科学家提出，强度干涉测量法可以适用于使用X射线荧光的原子分辨率成像。将这一想法扩展到X射线的挑战在于，光子的相干时间非常短暂，它决定了执行光子-光子相关性的可用时间间隔。它是由激发原子的辐射衰变时间设定的，对于铜原子来说，辐射衰变时间约为0.6飞秒。

现在，该小组与乌普萨拉大学和欧洲XFEL的科学家一起，通过使用该设施的飞秒持续时间XFEL脉冲在相干时间内启动X射线荧光光子，克服了这一挑战。他们产生了一个由铜箔中的两个荧光点组成的光源，并在八米外的百万像素探测器上测量了荧光。DESY自由电子激光科学中心的主要作者解释道：“对于这项开创性的实验，我们收集了超过3 PB的数据，这是欧洲XFEL有史以来最大的实验。然而，由于信号随强度的平方而缩放，我们认为在未来的实验中应该有可能大幅减少这种情况。”

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