(а) Упрощенный эскиз экспериментальной установки. (б) Смоделированное распределение интенсивности в фокальной плоскости с фазовой решеткой. (c) Количество фотонов в AGIPD, измеренное с помощью фазовой решетки, составило в среднем более 58 миллионов изображений. Это плоское распределение без какой-либо очевидной структурной информации. Среднее количество фотонов на пиксель за кадр составляло ⟨I⟩=0,0077.
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2023 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.173201

Исследовательская группа использовала чрезвычайно короткие и очень интенсивные импульсы рентгеновского излучения на европейском рентгеновском лазере EXFEL в Гамбурге, чтобы генерировать флуоресцентные фотоны, которые почти одновременно достигали детектора — во временном окне менее одной фемтосекунды (одна квадриллионная доля секунды). Рассчитав фотон-фотонные корреляции во флуоресценции освещенных атомов меди, удалось создать изображение источника света.

В атомном масштабе структуры материалов и макромолекул обычно определяют с помощью рентгеновской кристаллографии. Хотя этот метод основан на когерентной рентгеновской дифракции, рассеяние рентгеновского света может вызвать некогерентные процессы, такие как эмиссия флуоресценции, которые могут преобладать, даже если они не вносят полезного вклада в измерение дифракции. Вместо этого они добавляют бесполезную дымку или фон к данным измерений.

Еще в 1950-х годах два британских астронома доказали, что можно получить структурную информацию от таких самосветящихся источников света, в их случае это был свет звезд. Роберт Хэнбери Браун и Ричард Твисс, чей метод известен как интерферометрия интенсивности, открыли новую дверь в понимании света и основали область квантовой оптики.

Недавно ученые из FAU, Института структуры и динамики вещества им. Макса Планка и Немецкого электронного синхротрона (DESY) предположили, что интерферометрию интенсивности можно адаптировать для получения изображений с атомарным разрешением с использованием рентгеновской флуоресценции. Проблема распространения этой идеи на рентгеновские лучи заключается в том, что время когерентности фотонов, которое определяет временной интервал, доступный для выполнения фотон-фотонных корреляций, чрезвычайно мало. Оно определяется радиационным временем распада возбужденного атома, которое для атомов меди составляет около 0,6 фемтосекунды.

Вместе с учеными из Упсальского университета и Европейского XFEL группа преодолела эту проблему, используя импульсы XFEL фемтосекундной длительности из этого объекта для инициации фотонов рентгеновской флуоресценции в пределах времени когерентности. Команда создала источник, состоящий из двух флуоресцентных пятен в медной фольге, и измерила флуоресценцию на детекторе с миллионом пикселей, расположенном на расстоянии восьми метров.

В каждом импульсе освещения было обнаружено всего около 5000 фотонов, а совокупная сумма более 58 миллионов импульсов дала просто однородное распределение без каких-либо особенностей. Однако, когда вместо этого исследователи просуммировали фотон- фотонные корреляции для всех изображений с детектора, появился полосатый рисунок, который был проанализирован как когерентное волновое поле для восстановления изображения флуоресцентного источника, состоящего из двух хорошо разделенных световых пятен.

Теперь ученые надеются объединить этот новый метод с традиционной рентгеновской дифракцией для получения изображения отдельных молекул. Флуоресцентный свет, специфичный для элемента, может выявлять субструктуры, специфичные для определенных атомов и даже для определенных химических состояний. Это может способствовать лучшему пониманию функций важных ферментов, таких как те, которые участвуют в фотосинтезе.