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 R?ntgen）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，基于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。
那么，X射線的非線性過程，會有什么不一樣的？
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，通過光子反沖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。在自由電子激光器（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，并沒有被破壞。
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射線閃光碰撞后，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征形狀（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射線脈沖中，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“ 治愈”原子。
在這個過程中，將產生一個輕度激發的中性原子，該中性原子沿激光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沖撞，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，這是由于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于：首次從實驗上分離，提取和檢測單個“幸存者顆?！?，并發現這些“幸存者顆粒”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，而光子反沖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于：高度可重復性。作者采用的EuXFEL，是目前世界上最強大的X射線激光器。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。所采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于自發拉曼過程約10％的相對產率，并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
