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光子反沖成像：觀察分子內(nèi)部的新方法  觀察X射線與原子之間相互作用 1921年，愛(ài)因斯坦因發(fā)現(xiàn)光的量化，即光子作為光粒子流與物質(zhì)相互作用，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從量子力學(xué)的早期開(kāi)始，人們就知道光子具有動(dòng)量。原子對(duì)光子的吸收和發(fā)射是光與物質(zhì)相互作用的基本過(guò)程。自1960年代以來(lái)，強(qiáng)激光束的出現(xiàn)推動(dòng)了所謂的“非線性光學(xué)”的發(fā)展。于是科學(xué)家們進(jìn)一步研究，用X射線代替可見(jiàn)光來(lái)操作非線性光學(xué)系統(tǒng)，即將非線性光學(xué)擴(kuò)展到X射線光譜域。但由于非線性效應(yīng)難以捉摸的性質(zhì)，盡管理論概念數(shù)十年前就已提出，迄今科學(xué)家們?nèi)栽谂?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。隨著2017年位于漢堡的XFEL的投入使用，科學(xué)界朝著這一目標(biāo)更近了一步。 最近，德國(guó)柏林馬克斯·波恩非線性光學(xué)和超快光譜研究所（MBI）、瑞典烏普薩拉大學(xué)和位于漢堡的歐洲X射線自由電子激光裝置（XFEL）的研究人員合作開(kāi)發(fā)出“光子反沖成像”技術(shù)，用來(lái)觀察X射線與原子之間相互作用的基本過(guò)程。該技術(shù)可以區(qū)分X射線范圍內(nèi)的自發(fā)和受激拉曼散射（SRS），使得人們幾乎可以對(duì)單個(gè)原子上受激拉曼散射進(jìn)行自由地研究。相關(guān)的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。  a）自發(fā)x射線拉曼散射的受激原子分布。b）受激x射線拉曼散射的增激發(fā)態(tài)原子分布（窄線）。 圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)（mbi-berlin.de） 為了測(cè)量實(shí)驗(yàn)中激發(fā)原子的散射，研究人員將準(zhǔn)直的氖原子超聲束與XFEL光束成直角相交。當(dāng)X射線光子的能量與氖的俄歇躍遷能量發(fā)生共振時(shí)，瞬態(tài)激發(fā)原子會(huì)受到自發(fā)拉曼散射的影響。優(yōu)化X射線的強(qiáng)度和光子能量，則瞬態(tài)激發(fā)原子在自發(fā)衰減之前會(huì)與另一個(gè)具有適當(dāng)光子能量的XFEL光子相互作用，產(chǎn)生受激拉曼散射，并沿入射光子的方向發(fā)射光子。此過(guò)程需要來(lái)自X射線的兩個(gè)光子，因此是非線性的。由受激拉曼散射引起的激發(fā)原子基本上不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在檢測(cè)器上顯示為一條銳利的直線。 |
