创新的成像技术利用X射线光的量子特性

(a) 实验装置的简化草图。(b) 用相位光栅在焦平面上模拟的强度分布。(c) 在AGIPD的光子计数，用相位光栅测量，平均为5800万个图案。这是一个没有任何明显结构信息的平面分布。每帧每个像素的平均光子计数为⟨I⟩=0.0077。资料来源：《物理评论快报》（2023）。DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.173201

包括来自FAU的科学家在内的一个国际研究小组首次将X射线用于一种成像技术，该技术利用了光的一种特殊量子特性。在他们现已发表在《物理评论快报》杂志上的文章中，研究人员详细介绍了这一过程如何被用于对非结晶大分子进行成像。

研究小组利用位于汉堡的欧洲EXFEL的X射线激光器的极短和非常密集的X射线脉冲，以产生几乎同时到达检测器的荧光光子--在不到一飞秒（四亿分之一秒）的时间窗口。通过计算被照亮的铜原子的荧光中的光子-光子相关性，有可能创建一个光源的图像。

在原子尺度上，材料和大分子的结构通常用X射线晶体学来确定。虽然这种技术依赖于相干的X射线衍射，但X射线光的散射可能导致非相干过程，如荧光发射，这可能占主导地位，尽管它们对衍射测量没有做出有用的贡献。相反，它们给测量数据增加了一个无功能的阴霾或背景。

早在20世纪50年代，两位英国天文学家就证明了从这种自发光的光源中获得结构信息是可能的，在他们的例子中，是来自恒星的光。罗伯特-汉伯瑞-布朗和理查德-特维斯，他们的方法被称为强度干涉法，为理解光打开了一扇新的大门，并创立了量子光学领域。

最近，来自FAU、马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所和德国电子同步加速器（DESY）的科学家们提出，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射线上的挑战是光子的相干时间，它决定了可用于进行光子-光子关联的时间间隔，是非常短的。它由受激原子的辐射衰变时间决定，对于铜原子来说，该时间约为0.6飞秒。

该小组与来自乌普萨拉大学和欧洲XFEL的科学家一起，通过使用来自该设施的飞秒时间的XFEL脉冲，在相干时间内启动X射线荧光光子，现在已经克服了这一挑战。该小组产生了一个由铜箔中的两个荧光点组成的源，并在8米外的一个百万像素探测器上测量荧光。

每个照明脉冲只检测到大约5000个光子，5800万个脉冲的累积总和只产生了一个无特征的均匀分布。然而，当研究人员将来自探测器的所有图像的光子-光子相关性相加时，出现了一个条纹图案，它被分析为相干波场，以重建荧光源的图像，由两个分离良好的光点组成。

科学家们现在希望将这种新方法与传统的X射线衍射结合起来，对单分子进行成像。元素特异性荧光可以暴露出某些原子甚至某些化学状态所特有的子结构。这可能有助于更好地了解重要酶的功能，如参与光合作用的酶。
参考资料：Fabian Trost et al, Imaging via Correlation of X-Ray Fluorescence Photons, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.173201