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旧x射线,新愿景-纳米聚焦x射线激光器

想象一下,拍摄速度最快的化学过程的电影,或者在不破坏单个病毒粒子的情况下,对原子尺度的细节进行成像。日本的研究人员通过提高用于纳米尺度测量的特殊x射线激光的效用,在这方面取得了最先进的成果。

在最近发表在《同步加速器辐射杂志》上的一项研究中,来自大阪大学的研究人员与理研所和日本同步加速器辐射研究所(JASRI)合作,将x射线自由电子激光器的光束直径减小到6纳米宽。这大大提高了这些激光成像结构更接近原子水平比以前可能的工作。

为了“看到”极小且不可见的物体,以及观察超快的化学过程,研究人员通常使用同步加速器x射线设备。原则上,x射线自由电子激光器可以在不损害病毒粒子的情况下,在原子尺度上对电子跃进的时间尺度成像。要做到这一点,你需要一个非常明亮的x射线激光器,它能在纳米尺度上聚焦非常快的激光脉冲。

“利用多层聚焦镜,我们将激光束的宽度缩小到直径6纳米,”该研究的第一作者井上隆人说。“这还不是一个典型原子的直径,但我们正在取得良好的进展。”

到目前为止,很难将x射线自由电子激光器聚焦到如此小的直径上。这是因为在制造所需的反射镜和确定激光器的聚焦尺寸方面存在挑战。研究小组通过分析被称为散斑轮廓的激光干涉图样的形状来解决聚焦问题。

“我们通过随机分布的金属纳米粒子的相干x射线散射产生散斑轮廓,”资深作者Satoshi Matsuyama解释说。“这使得对激光束轮廓的实验测量成为可能,这与理论计算很一致。”

由于激光束直径可以如此精确地测量,进一步的进展现在是可行的。例如,通过使用原子进行散射分析,x射线自由电子激光测量可以提高到1纳米聚焦。

研究人员预计,超高强度的激光,亮度超过太阳的100万万亿倍,现在将用于成像超快的分子过程——在原子尺度上的细节——这超出了最先进的同步加速器的能力。有了这种技术,在“先衍射后破坏”的策略下,只需一个激光脉冲,就可以对蛋白质分子和其他重要的小生物实体成像而不损伤它们。

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