x射線自由電子激光器(XFELs)能產生令人難以置信的強大光束，使人們能夠對物質中原子的超快運動進行前所未有的研究。爲了解釋這些非凡光源的數據，研究人員需要對x射線脈衝如何與物質相互作用以及這些相互作用如何影響測量有一個堅實的瞭解。現在，美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家們進行的計算機模擬表明，一種新方法可以把激光脈衝強度的隨機波動從討厭變成一種優勢，從而促進對這些基本相互作用的研究，祕密在於運用一種被稱爲“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。斯坦福脈衝研究所(Stanford PULSE Institute)的詹姆斯 克萊恩(James Cryan)表示：在實驗中最常採用的方法是降低XFEL脈衝隨機性，而不是讓它變得不那麼隨機，我們實際上想在這種情況下使用隨機性，斯坦福脈衝研究所是斯坦福大學(Stanford University)和SLAC的聯合研究所。結果表明，通過這樣做，可以繞過一些與當前研究x射線與物質相互作用方法相關的技術挑戰，其研究成果發表在《物理評論X》上。

　　利用x射線峯值

　　科學家們通常通過泵浦-探針實驗來觀察這些相互作用，在這個實驗中，通過一個樣品發送成對的x射線脈衝。第一個脈衝稱爲泵浦脈衝，它重新排列了電子在樣品中的分佈。第二個脈衝稱爲探針脈衝，研究這些重新排列對樣品的電子和原子核運動影響，通過重複脈衝之間不同時間延遲的實驗，研究人員可以製作出微小、快速運動的定格電影。其中一個挑戰是x射線激光器產生光脈衝的過程是隨機的，因此每個脈衝實際上是一系列窄x射線脈衝，它們的強度在脈衝之間隨機變化。

　　SLAC研究人員利用x射線激光產生的x射線脈衝隨機性來研究脈衝與物質的相互作用，他們將這種方法稱爲泵浦探測鬼影成像。圖片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

　　該研究的主要作者、SLAC的丹尼爾·拉特納(Daniel Ratner)說：因此，泵浦探測實驗通常要求我們首先準備定義明確的短脈衝，這種脈衝的隨機性較小，此外需要很好地控制它們之間的時間延遲。在新方法中，不用擔心這些。將使用x射線脈衝，因爲出來的XFEL沒有進一步修改。事實上，用這種新的思維方式，在一個x射線脈衝內的每一對峯值都可以被看作是一對泵浦脈衝和探測脈衝，因此研究人員可以用XFEL的一個鏡頭進行許多泵浦-探測測量。

　　x射線自由電子激光器x射線脈衝的模擬剖面，它由一列窄尖組成，其強度(功率)隨機波動。SLAC研究人員在泵浦探針實驗中使用一對這樣的峯值來觸發和測量樣本的結構變化，把以前的麻煩變成優勢，本例突出顯示了三對具有不同時間延遲的波峯。圖片：SLAC National Accelerator Laboratory

　　鬼影快照

　　爲了用這種方法生成樣品分子運動的快照，拉特納和同事想要應用鬼影成像技術。在傳統成像技術中，光線落在物體上，會在探測器上產生二維圖像——無論是人類眼球后部、手機上的百萬像素傳感器，還是先進的x射線探測器。另一方面，鬼影成像通過分析照射到物體上的隨機光線模式如何影響從物體上發出的光總量來構建圖像。合著者李思琪(音譯)說：在新方法中，隨機模式是單個XFEL脈衝的波動峯結構，爲了進行圖像重建，需要重複實驗很多次——在模擬中大約需要重複10萬次。每次都用診斷工具測量脈衝剖面，並分析樣本發出的信號。

　　在傳統成像(左)中，光線落在物體上，在探測器上產生二維圖像。鬼影成像(右圖)通過分析照射到物體上的隨機光模式如何影響從物體上發出的光總量來構建圖像。圖片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

　　在借鑑機器學習思想的計算過程中，研究人員可以將這些數據轉化爲x射線脈衝對樣本影響的可視化。到目前爲止，這個新想法只在模擬中進行了測試，並等待實驗驗證，例如在SLAC的Linac相干光源(LCLS) x射線激光器，美國能源部科學用戶設施辦公室。然而，研究人員已經確信他們的方法可以補充傳統泵浦探測實驗。如果未來的測試成功，這種方法可以增強觀察XFEL實驗中非常基本過程的能力，還將提供一些我們希望探索的優勢。這些包括更多的穩定性，更快的圖像重建，更少的樣本損傷和在越來越快時間尺度下進行實驗的前景。

　　博科園-科學科普｜研究/來自: SLAC國家加速器實驗室/Manuel Gnida

　　參考期刊文獻:《物理評論X》

　　DOI: 10.1103/PhysRevX.9.011045

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