一個(gè)國際研究小組首次成功地將X射線用于利用光的特定量子特性的成像技術(shù)。正如研究人員在剛剛發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上的工作中所描述的那樣（“通過X射線熒光光子的相關(guān)性成像”），這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非結(jié)晶大分子的成像。由德國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)使用來自歐洲XFEL X射線自由電子激光器的非常強(qiáng)烈的X射線脈沖產(chǎn)生熒光光子，這些光子幾乎同時(shí)到達(dá)探測(cè)器，時(shí)間窗口短于飛秒。通過計(jì)算被照射的銅原子發(fā)射的X射線熒光的光子-光子相關(guān)性，可以獲得發(fā)射的圖像。
獨(dú)立光源發(fā)出的光，如原子發(fā)出的熒光，在隨機(jī)時(shí)間產(chǎn)生波，從而產(chǎn)生隨機(jī)相位的波。如果在相干時(shí)間內(nèi)測(cè)量，則該光將發(fā)生干涉并產(chǎn)生散斑圖案，如背景圖像中所示。這種模式不是固定的，并且許多這樣的模式的總和將平均為均勻分布。然而，如果相反地從每個(gè)模式計(jì)算對(duì)相關(guān)性，然后求和，則隨機(jī)相位將平均，以留下源的空間頻率內(nèi)容（q向量）的映射。材料和大分子的結(jié)構(gòu)通常是使用X射線晶體學(xué)在原子尺度上確定的。雖然該技術(shù)依賴于相干X射線散射，但熒光發(fā)射等非相干過程可能占主導(dǎo)地位，盡管它們對(duì)衍射測(cè)量沒有有用的貢獻(xiàn)。相反，它們?yōu)闇y(cè)量數(shù)據(jù)添加了一個(gè)無特征的霧或背景。
但早在20世紀(jì)50年代，兩位英國天文學(xué)家就證明了從自發(fā)光源發(fā)出的這種光中提取結(jié)構(gòu)信息確實(shí)是可能的——在他們的例子中是從恒星中提取的。Robert Hanbury-Brown和Richard Twiss的方法——稱為強(qiáng)度干涉測(cè)量法——為理解光打開了一扇新的大門，開啟了量子光學(xué)領(lǐng)域。最近，來自愛爾蘭根大學(xué)、馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所和DESY的科學(xué)家提出，強(qiáng)度干涉測(cè)量法可以適用于使用X射線熒光的原子分辨率成像。將這一想法擴(kuò)展到X射線的挑戰(zhàn)在于，光子的相干時(shí)間非常短暫，它決定了執(zhí)行光子-光子相關(guān)性的可用時(shí)間間隔。它是由激發(fā)原子的輻射衰變時(shí)間設(shè)定的，對(duì)于銅原子來說，輻射衰變時(shí)間約為0.6飛秒。
現(xiàn)在，該小組與烏普薩拉大學(xué)和歐洲XFEL的科學(xué)家一起，通過使用該設(shè)施的飛秒持續(xù)時(shí)間XFEL脈沖在相干時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)X射線熒光光子，克服了這一挑戰(zhàn)。他們產(chǎn)生了一個(gè)由銅箔中的兩個(gè)熒光點(diǎn)組成的光源，并在八米外的百萬像素探測(cè)器上測(cè)量了熒光。DESY自由電子激光科學(xué)中心的主要作者解釋道：“對(duì)于這項(xiàng)開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)，我們收集了超過3 PB的數(shù)據(jù)，這是歐洲XFEL有史以來最大的實(shí)驗(yàn)。然而，由于信號(hào)隨強(qiáng)度的平方而縮放，我們認(rèn)為在未來的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該有可能大幅減少這種情況。”
