教授一作发Science：颠覆传统，史上第一个诺贝尔物理奖有望迎来新的革命！

半个导体

2020-09-28

1895年，诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel）设立诺贝尔奖。同年，德国物理学家伦琴（Wilhelm Röntgen）发现X射线。

1901年，伦琴因发现X射线获得史上第一次诺贝尔物理学奖。

一百多年来，X射线，这个听起来有点熟悉又奇怪的名字，已经彻底改变了人类的生活，在物理学，材料科学，化学和生命科学等诸多领域产生了革命性的影响。尤其是在医学上，基于X射线的技术为疾病的诊断和治疗付出了汗马功劳。

虽然居功至伟，X射线的辐射会对人体造成损伤，也是人所共知。

X射线，是天使，还是魔鬼？这是似乎是一个没有答案的问题。

                                                                                                                                   图丨pixabay

不同寻常的现象

长期以来，光与物质的相互作用都是一个值得深入探索的问题。非线性光学的出现，为光学技术的发展带来了许多新的机遇。能否将非线性过程从光学拓展到X射线领域，成为了物理学家心心念念的事情。

本质上而言，X射线对原子的破坏是从内到外的，原子中深度结合的电子将被驱逐，留下一个“核心孔”。这种不稳定的状态引发一系列电子弛豫，将中性原子变成离子，从而破坏分子中的化学键，或在固体中产生缺陷。

那么，X射线的非线性过程，会有什么不一样的？

为了深入探究X射线的新奇性质，德国Max Born Institute研究所Ulrich Eichmann教授等人在Science发表论文，通过光子反冲成像技术展示了在单原子水平上超越X射线辐射损伤的异常行为。在自由电子激光器（FEL）提供的极强的X射线的照射下，他们检测到中性氖原子，这些中性氖原子只是被激发，并没有被破坏。

这一现象，明显违反了传统X射线损伤的认知。

单原子尺度的X射线辐射

在简单的光-物质相互作用实验中，原子束与FEL的强X射线闪光碰撞后，所有离子都会偏转，而中性原子会撞击一个位置敏感的检测器，该检测器设置为仅受激发的原子会触发信号。所有经历受激X射线拉曼散射的原子，都会在检测器上的显示出特征形状（用“ I”标记斑点而不是“ X”）。

吸收一个X射线光子，会产生一个不稳定的核心孔（原子损伤的种子），但是在同一X射线脉冲中，光子的受激发射会立即将来自同一原子的另一个外电子充满该孔，从而基本上立即“ 治愈”原子。

在这个过程中，将产生一个轻度激发的中性原子，该中性原子沿激光方向获得了柔和的力学作用，就好像它只与能量低得多的正电离光子相互作用一样。经历其他自然衰变过程（例如光子或电子的自发发射）的原子将遭受较大的动量冲撞，因此将在检测器上显示为扩散光晕。相比之下，X射线激发的拉曼过程的动量转移几乎可以忽略不计，这是由于相干激发和受激发射的非线性组合过程中，共传播的吸收和再发射光子几乎完美的补偿。

                                                                                                                                                                                            图丨Science

两个特色

X射线的研究不可谓不多。之前就有实验观察到了在稠密介质中受激发的X射线拉曼散射。本研究的第一个特色在于：首次从实验上分离，提取和检测单个“幸存者颗粒”，并发现这些“幸存者颗粒”被强烈的X射线激发但依然能保持中性。在以前的方法中，信号光与强烈的X射线共同传播，因此限制了对微弱信号的检测，而光子反冲成像技术则允许以单粒子灵敏度进行无背景检测。

本研究的另一个特色就在于：高度可重复性。作者采用的EuXFEL，是目前世界上最强大的X射线激光器。研究人员以每秒1000次的有效发射来隔离经历X射线激发拉曼过程的原子，可以尽情地研究X射线与原子的相互作用。所采用的成像方法具有极高灵敏度，可以对X射线特性进行微调，以相最大突显出所需的非线性“柔和”X射线激发。

通过改变光子能量和EuXFEL的强度，研究人员获得了相对于自发拉曼过程约10％的相对产率，并与理论模型保持一致。模型指出，FEL的“机器”参数是唯一的限制因素，通过对参数的调控，可以极大地提高效率，从而使受刺激的拉曼过程比自发的拉曼过程多10倍以上。

未来可期

经过一百多年的发展，X射线已经在人类生活中不可或缺。这一新奇的基础物理学的结果，将为科学发展带来更多的可能。更加强大的科学仪器为我们更好地探索未知，无损的医学诊疗为我们带来更美好的生活。

最重要的是，驯服X射线“魔鬼”的一面，将推动一场新的科学革命。

参考文献：

1. U. Eichmann et al. Photon-recoil imaging: Expanding the view of nonlinear x-ray physics. Science 2020, 369, 1630-1633.

https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1630

2. Thomas Pfeifer. Intense x-rays can be (slightly) exciting. Science 2020, 369, 1568-1569.

https://science.sciencemag.org/content/369/6511/1568