光子反衝成像：觀察分子內部的新方法

近日，德國和瑞典科學家利用歐洲X射線自由電子激光裝置（XFEL），通過創新的“光子反衝成像”（Photon-recoil imaging）技術，研究X射線與原子之間相互作用的基本過程。該方法可以使人們更好地瞭解原子級的化學反應，將成為探索非線性X射線物理學的有力工具。

觀察X射線與原子之間相互作用

1921年，愛因斯坦因發現光的量化，即光子作為光粒子流與物質相互作用，獲得了諾貝爾物理學獎。從量子力學的早期開始，人們就知道光子具有動量。原子對光子的吸收和發射是光與物質相互作用的基本過程。自1960年代以來，強激光束的出現推動了所謂的“非線性光學”的發展。於是科學家們進一步研究，用X射線代替可見光來操作非線性光學系統，即將非線性光學擴展到X射線光譜域。但由於非線性效應難以捉摸的性質，儘管理論概念數十年前就已提出，迄今科學家們仍在努力實現這一目標。隨着2017年位於漢堡的XFEL的投入使用，科學界朝着這一目標更近了一步。

最近，德國柏林馬克斯·波恩非線性光學和超快光譜研究所（MBI）、瑞典烏普薩拉大學和位於漢堡的歐洲X射線自由電子激光裝置（XFEL）的研究人員合作開發出“光子反衝成像”技術，用來觀察X射線與原子之間相互作用的基本過程。該技術可以區分X射線範圍內的自發和受激拉曼散射（SRS），使得人們幾乎可以對單個原子上受激拉曼散射進行自由地研究。相關的理論分析和實驗結果發表在《科學》雜誌上。

為了測量實驗中激發原子的散射，研究人員將準直的氖原子超聲束與XFEL光束成直角相交。當X射線光子的能量與氖的俄歇躍遷能量發生共振時，瞬態激發原子會受到自發拉曼散射的影響。優化X射線的強度和光子能量，則瞬態激發原子在自發衰減之前會與另一個具有適當光子能量的XFEL光子相互作用，產生受激拉曼散射，並沿入射光子的方向發射光子。此過程需要來自X射線的兩個光子，因此是非線性的。由受激拉曼散射引起的激發原子基本上不會發生偏轉，在檢測器上顯示為一條鋭利的直線。

有望更好地瞭解原子級化學反應

論文第一作者，柏林馬克斯·波恩研究所的烏利·艾希曼教授解釋説，在受激拉曼散射過程中，兩個光子沿與兩個入射光子完全相同的方向離開原子，原子不改變其動量，也不改變其飛行方向。這與更頻繁的線性過程截然不同。在線性過程中，首先吸收一個光子，然後發射另一個光子。由於發射的光子通常以不同的方向發送，因此原子發生偏轉。通過觀察原子的飛行方向，研究人員能夠清楚地將X射線激發的拉曼過程與其他過程區分開。

XFEL的邁克爾·邁耶博士解釋説：“如果將來我們將新方法與不同波長的X射線脈衝一起使用，就會帶來特殊的可能性。”具有不同波長的X射線脈衝可以專門處理分子中的單個原子，因此可以詳細瞭解分子中電子的波函數隨時間變化的方式。這為研究非線性X射線過程建立了非常有前途的分析技術。

長遠來看，科學家們還希望藉助定製的激光脈衝對其產生影響。烏普薩拉大學的賈恩-埃裏克·魯本森教授説：“我們的方法有望使人們更好地瞭解原子級的化學反應，將來甚至可能影響它們。”