教授Science新作顛覆傳統，史上第一個物理諾獎迎來新革命

1895年，諾貝爾（Alfred Bernhard Nobel）設立諾貝爾獎。同年，德國物理學家倫琴（Wilhelm Röntgen）發現X射線。

1901年，倫琴因發現X射線獲得史上第一次諾貝爾物理學獎。

一百多年來，X射線，這個聽起來有點熟悉又奇怪的名字，已經徹底改變了人類的生活，在物理學，材料科學，化學和生命科學等諸多領域產生了革命性的影響。尤其是在醫學上，基於X射線的技術為疾病的診斷和治療付出了汗馬功勞。

雖然居功至偉，X射線的輻射會對人體造成損傷，也是人所共知。

X射線，是天使，還是魔鬼？這是似乎是一個沒有答案的問題。

圖丨pixabay

不同尋常的現象

長期以來，光與物質的相互作用都是一個值得深入探索的問題。非線性光學的出現，為光學技術的發展帶來了許多新的機遇。能否將非線性過程從光學拓展到X射線領域，成為了物理學家心心念念的事情。

本質上而言，X射線對原子的破壞是從內到外的，原子中深度結合的電子將被驅逐，留下一個「核心孔」。這種不穩定的狀態引發一系列電子弛豫，將中性原子變成離子，從而破壞分子中的化學鍵，或在固體中產生缺陷。

那麼，X射線的非線性過程，會有什麼不一樣的？

為了深入探究X射線的新奇性質，德國Max Born Institute研究所Ulrich Eichmann教授等人在Science發表論文，通過光子反衝成像技術展示了在單原子水平上超越X射線輻射損傷的異常行為。在自由電子雷射器（FEL）提供的極強的X射線的照射下，他們檢測到中性氖原子，這些中性氖原子只是被激發，並沒有被破壞。

這一現象，明顯違反了傳統X射線損傷的認知。

單原子尺度的X射線輻射

在簡單的光-物質相互作用實驗中，原子束與FEL的強X射線閃光碰撞後，所有離子都會偏轉，而中性原子會撞擊一個位置敏感的檢測器，該檢測器設置為僅受激發的原子會觸發信號。所有經歷受激X射線拉曼散射的原子，都會在檢測器上的顯示出特徵形狀（用「 I」標記斑點而不是「 X」）。

吸收一個X射線光子，會產生一個不穩定的核心孔（原子損傷的種子），但是在同一X射線脈衝中，光子的受激發射會立即將來自同一原子的另一個外電子充滿該孔，從而基本上立即「 治癒」原子。

在這個過程中，將產生一個輕度激發的中性原子，該中性原子沿雷射方向獲得了柔和的力學作用，就好像它只與能量低得多的正電離光子相互作用一樣。經歷其他自然衰變過程（例如光子或電子的自發發射）的原子將遭受較大的動量衝撞，因此將在檢測器上顯示為擴散光暈。相比之下，X射線激發的拉曼過程的動量轉移幾乎可以忽略不計，這是由於相干激發和受激發射的非線性組合過程中，共傳播的吸收和再發射光子幾乎完美的補償。

圖丨Science

兩個特色

X射線的研究不可謂不多。之前就有實驗觀察到了在稠密介質中受激發的X射線拉曼散射。本研究的第一個特色在於：首次從實驗上分離，提取和檢測單個「倖存者顆粒」，並發現這些「倖存者顆粒」被強烈的X射線激發但依然能保持中性。在以前的方法中，信號光與強烈的X射線共同傳播，因此限制了對微弱信號的檢測，而光子反衝成像技術則允許以單粒子靈敏度進行無背景檢測。

本研究的另一個特色就在於：高度可重複性。作者採用的EuXFEL，是目前世界上最強大的X射線雷射器。研究人員以每秒1000次的有效發射來隔離經歷X射線激發拉曼過程的原子，可以盡情地研究X射線與原子的相互作用。所採用的成像方法具有極高靈敏度，可以對X射線特性進行微調，以相最大突顯出所需的非線性「柔和」X射線激發。

通過改變光子能量和EuXFEL的強度，研究人員獲得了相對於自發拉曼過程約10％的相對產率，並與理論模型保持一致。模型指出，FEL的「機器」參數是唯一的限制因素，通過對參數的調控，可以極大地提高效率，從而使受刺激的拉曼過程比自發的拉曼過程多10倍以上。

未來可期

經過一百多年的發展，X射線已經在人類生活中不可或缺。這一新奇的基礎物理學的結果，將為科學發展帶來更多的可能。更加強大的科學儀器為我們更好地探索未知，無損的醫學診療為我們帶來更美好的生活。

最重要的是，馴服X射線「魔鬼」的一面，將推動一場新的科學革命。

參考文獻：

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

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