x射線自由電子激光器(XFELs)能產(chǎn)生令人難以置信的強(qiáng)大光束，使人們能夠?qū)ξ镔|(zhì)中原子的超快運(yùn)動(dòng)進(jìn)行前所未有的研究。為了解釋這些非凡光源的數(shù)據(jù)，研究人員需要對(duì)x射線脈沖如何與物質(zhì)相互作用以及這些相互作用如何影響測(cè)量有一個(gè)堅(jiān)實(shí)的了解。

現(xiàn)在，美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬表明，一種新方法可以把激光脈沖強(qiáng)度的隨機(jī)波動(dòng)從討厭變成一種優(yōu)勢(shì)，從而促進(jìn)對(duì)這些基本相互作用的研究，秘密在于運(yùn)用一種被稱為“鬼影成像”的方法。

博科園：這種方法可以在不直接記錄物體圖像的情況下重建物體的樣子。斯坦福脈沖研究所(Stanford PULSE Institute)的詹姆斯?克萊恩(James Cryan)表示：在實(shí)驗(yàn)中最常采用的方法是降低XFEL脈沖隨機(jī)性，而不是讓它變得不那么隨機(jī)，我們實(shí)際上想在這種情況下使用隨機(jī)性，斯坦福脈沖研究所是斯坦福大學(xué)(Stanford University)和SLAC的聯(lián)合研究所。結(jié)果表明，通過(guò)這樣做，可以繞過(guò)一些與當(dāng)前研究x射線與物質(zhì)相互作用方法相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論X》上。

利用x射線峰值

科學(xué)家們通常通過(guò)泵浦-探針實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察這些相互作用，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)一個(gè)樣品發(fā)送成對(duì)的x射線脈沖。第一個(gè)脈沖稱為泵浦脈沖，它重新排列了電子在樣品中的分布。第二個(gè)脈沖稱為探針脈沖，研究這些重新排列對(duì)樣品的電子和原子核運(yùn)動(dòng)影響，通過(guò)重復(fù)脈沖之間不同時(shí)間延遲的實(shí)驗(yàn)，研究人員可以制作出微小、快速運(yùn)動(dòng)的定格電影。其中一個(gè)挑戰(zhàn)是x射線激光器產(chǎn)生光脈沖的過(guò)程是隨機(jī)的，因此每個(gè)脈沖實(shí)際上是一系列窄x射線脈沖，它們的強(qiáng)度在脈沖之間隨機(jī)變化。

該研究的主要作者、SLAC的丹尼爾·拉特納(Daniel Ratner)說(shuō)：因此，泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)通常要求我們首先準(zhǔn)備定義明確的短脈沖，這種脈沖的隨機(jī)性較小，此外需要很好地控制它們之間的時(shí)間延遲。在新方法中，不用擔(dān)心這些。將使用x射線脈沖，因?yàn)槌鰜?lái)的XFEL沒(méi)有進(jìn)一步修改。事實(shí)上，用這種新的思維方式，在一個(gè)x射線脈沖內(nèi)的每一對(duì)峰值都可以被看作是一對(duì)泵浦脈沖和探測(cè)脈沖，因此研究人員可以用XFEL的一個(gè)鏡頭進(jìn)行許多泵浦-探測(cè)測(cè)量。

鬼影快照

為了用這種方法生成樣品分子運(yùn)動(dòng)的快照，拉特納和同事想要應(yīng)用鬼影成像技術(shù)。在傳統(tǒng)成像技術(shù)中，光線落在物體上，會(huì)在探測(cè)器上產(chǎn)生二維圖像——無(wú)論是人類眼球后部、手機(jī)上的百萬(wàn)像素傳感器，還是先進(jìn)的x射線探測(cè)器。另一方面，鬼影成像通過(guò)分析照射到物體上的隨機(jī)光線模式如何影響從物體上發(fā)出的光總量來(lái)構(gòu)建圖像。合著者李思琪(音譯)說(shuō)：在新方法中，隨機(jī)模式是單個(gè)XFEL脈沖的波動(dòng)峰結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)行圖像重建，需要重復(fù)實(shí)驗(yàn)很多次——在模擬中大約需要重復(fù)10萬(wàn)次。每次都用診斷工具測(cè)量脈沖剖面，并分析樣本發(fā)出的信號(hào)。

在借鑒機(jī)器學(xué)習(xí)思想的計(jì)算過(guò)程中，研究人員可以將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為x射線脈沖對(duì)樣本影響的可視化。到目前為止，這個(gè)新想法只在模擬中進(jìn)行了測(cè)試，并等待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，例如在SLAC的Linac相干光源(LCLS) x射線激光器，美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。然而，研究人員已經(jīng)確信他們的方法可以補(bǔ)充傳統(tǒng)泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)。如果未來(lái)的測(cè)試成功，這種方法可以增強(qiáng)觀察XFEL實(shí)驗(yàn)中非?；具^(guò)程的能力，還將提供一些我們希望探索的優(yōu)勢(shì)。這些包括更多的穩(wěn)定性，更快的圖像重建，更少的樣本損傷和在越來(lái)越快時(shí)間尺度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的前景。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自: SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室/Manuel Gnida

參考期刊文獻(xiàn):《物理評(píng)論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011045

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美