新型X射線技術將噪聲轉為數據

科技日報訊 （記者劉霞）美國能源部阿貢國家實驗室聯合德國馬克斯·普朗克核物理研究所、歐洲X射線自由電子激光器（XFEL）團隊共同宣佈，成功研發出隨機受激X射線拉曼散射（s-SXRS）技術。這項能將實驗噪聲轉化為珍貴數據的新方法，或將徹底改變人類觀測電子運動的微觀視角，促進化學等多學科的發展。該成果於近日發表在《自然》雜誌上。

研究團隊利用全球最強大的X射線激光器——XFEL的獨特性能，使s-SXRS技術能以前所未有的分辨率，捕捉原子內部電子結構及其相互作用的精細圖像。

實驗過程中，當XFEL發射的X射線脈衝穿過氖氣時，儀器記錄下的拉曼信號被放大了近10億倍。拉曼信號這種特殊的“X射線指紋”如同原子的“身份證”，清晰揭示了其激發態電子結構的信息。

與傳統方法需在不同能級間緩慢掃描不同，新技術通過分析輸入脈衝與產生的拉曼信號的關聯性，僅需整合多個瞬時快照，就能構建出完整的電子能譜圖。藉助這一方法，研究團隊獲得了飛秒（千萬億分之一秒）時間尺度上電子運動的“定格影像”。

研究團隊解釋道，大量X射線脈衝不僅增強了信號強度，更通過協方差分析這項統計技術，將原本被視為干擾的噪聲轉化為寶貴的數據資源。這種方法既實現了分辨率質的飛躍，又將觀測速度提升到全新維度。計算機模擬結果與實驗數據高度吻合，為理解X射線與物質的相互作用提供了可靠模型。

s-SXRS技術的應用前景極為廣闊：從揭示化學鍵斷裂與形成的奧秘，到指導具有特殊性能的新材料設計；從推動納米技術發展到革新電子器件製造。而且，隨着技術持續優化，s-SXRS有望成為全球實驗室的“標配”，為多學科研究注入創新活力。