旧的X射线，新的视野：纳米聚焦X射线激光器

图1基于相干散射斑点的新方法示意图。图片来自于大阪大学

想象一下，以最快的化学过程拍摄电影，或者在不损坏单个病毒粒子的原子尺度细节的情况下对它们进行成像。日本的研究人员通过增强用于纳米级测量的特殊X射线激光器效用的方法，在这方面取得了最先进的研究成果。

最近发表在《Journal of Synchrotron Radiation》上的一项研究中，大阪大学的研究人员与RIKEN和日本同步辐射研究所（JASRI）合作，将X射线自由电子激光器的光束直径缩小到了6纳米宽。与以前的工作相比，这大大提高了这些激光器在更接近原子水平结构成像方面的实用性。

为了“看到”极微小或不可见的物体，并观察超快的化学过程，研究人员通常使用同步加速器X射线设备。 X射线自由电子激光器是一种替代方案，原则上它可以在电子跃迁的时间尺度上成像原子尺寸的细节，例如病毒粒子，而且不会损坏该颗粒。为此，我们需要一个非常明亮的X射线激光器，它能在纳米尺度上聚焦极快的激光脉冲。

这项研究的主要研究人员井上隆（Takato Inoue）说：“使用多层聚焦镜，我们将激光束的直径宽度缩小到了6纳米。虽然这不是典型的原子直径，但我们取得了很大的进展。”

图2散斑形状和由于镜面失调而畸变的光束形状之间的关系。中间：比例尺，50 nm。底部：比例尺，0.5 nm-1。根据相应原稿修改后转载。图片来自于大阪大学

图3精确镜面对准前后的散板图案比较（左，比例尺= 0.06 nm-1）和计算的斑点形状比较（右）。根据相应原稿修改后转载。图片来自于大阪大学

迄今为止，依然很难将X射线自由电子激光器聚焦到如此小的直径。这是因为在制造所需的反射镜和确定激光器的聚焦尺寸方面存在挑战。研究人员通过分析激光干涉图案的形状，即斑点轮廓，来解决聚焦问题。

资深作者松山聪（Satoshi Matsuyama）解释说：“我们通过随机分布的金属纳米粒子的相干X射线散射产生散斑图。这使得激光束分布轮廓能够进行实验测量，测量结果与理论计算非常吻合。”

因为可以如此精确地测量激光束直径，所以现在可以进行进一步的改进。例如，通过使用原子进行散射分析，可以将X射线自由电子激光测量值提高到1纳米的焦点。

研究人员预计，比太阳亮度高出100万亿倍的超高强度激光现在将有助于在原子尺度上对超快分子过程进行成像，这能力是最先进的同步加速器所无法实现的。通过这种技术，蛋白质分子和其他小的重要生物实体使用“先衍射再破坏”的策略，可以在不破坏它们结构的情况下，使用单个激光脉冲进行成像。