x射线自由电子激光器(XFELs)能产生令人难以置信的强大光束，使人们能够对物质中原子的超快运动进行前所未有的研究。为了解释这些非凡光源的数据，研究人员需要对x射线脉冲如何与物质相互作用以及这些相互作用如何影响测量有一个坚实的了解。现在，美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们进行的计算机模拟表明，一种新方法可以把激光脉冲强度的随机波动从讨厌变成一种优势，从而促进对这些基本相互作用的研究，秘密在于运用一种被称为“鬼影成像”的方法。
博科园：这种方法可以在不直接记录物体图像的情况下重建物体的样子。斯坦福脉冲研究所(Stanford PULSE Institute)的詹姆斯?克莱恩(James Cryan)表示：在实验中最常采用的方法是降低XFEL脉冲随机性，而不是让它变得不那么随机，我们实际上想在这种情况下使用随机性，斯坦福脉冲研究所是斯坦福大学(Stanford University)和SLAC的联合研究所。结果表明，通过这样做，可以绕过一些与当前研究x射线与物质相互作用方法相关的技术挑战，其研究成果发表在《物理评论X》上。
利用x射线峰值
科学家们通常通过泵浦-探针实验来观察这些相互作用，在这个实验中，通过一个样品发送成对的x射线脉冲。第一个脉冲称为泵浦脉冲，它重新排列了电子在样品中的分布。第二个脉冲称为探针脉冲，研究这些重新排列对样品的电子和原子核运动影响，通过重复脉冲之间不同时间延迟的实验，研究人员可以制作出微小、快速运动的定格电影。其中一个挑战是x射线激光器产生光脉冲的过程是随机的，因此每个脉冲实际上是一系列窄x射线脉冲，它们的强度在脉冲之间随机变化。
SLAC研究人员利用x射线激光产生的x射线脉冲随机性来研究脉冲与物质的相互作用，他们将这种方法称为泵浦探测鬼影成像。图片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
该研究的主要作者、SLAC的丹尼尔·拉特纳(Daniel Ratner)说：因此，泵浦探测实验通常要求我们首先准备定义明确的短脉冲，这种脉冲的随机性较小，此外需要很好地控制它们之间的时间延迟。在新方法中，不用担心这些。将使用x射线脉冲，因为出来的XFEL没有进一步修改。事实上，用这种新的思维方式，在一个x射线脉冲内的每一对峰值都可以被看作是一对泵浦脉冲和探测脉冲，因此研究人员可以用XFEL的一个镜头进行许多泵浦-探测测量。
x射线自由电子激光器x射线脉冲的模拟剖面，它由一列窄尖组成，其强度(功率)随机波动。SLAC研究人员在泵浦探针实验中使用一对这样的峰值来触发和测量样本的结构变化，把以前的麻烦变成优势，本例突出显示了三对具有不同时间延迟的波峰。图片：SLAC National Accelerator Laboratory
鬼影快照
为了用这种方法生成样品分子运动的快照，拉特纳和同事想要应用鬼影成像技术。在传统成像技术中，光线落在物体上，会在探测器上产生二维图像——无论是人类眼球后部、手机上的百万像素传感器，还是先进的x射线探测器。另一方面，鬼影成像通过分析照射到物体上的随机光线模式如何影响从物体上发出的光总量来构建图像。合著者李思琪(音译)说：在新方法中，随机模式是单个XFEL脉冲的波动峰结构，为了进行图像重建，需要重复实验很多次——在模拟中大约需要重复10万次。每次都用诊断工具测量脉冲剖面，并分析样本发出的信号。
在传统成像(左)中，光线落在物体上，在探测器上产生二维图像。鬼影成像(右图)通过分析照射到物体上的随机光模式如何影响从物体上发出的光总量来构建图像。图片：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
在借鉴机器学习思想的计算过程中，研究人员可以将这些数据转化为x射线脉冲对样本影响的可视化。到目前为止，这个新想法只在模拟中进行了测试，并等待实验验证，例如在SLAC的Linac相干光源(LCLS) x射线激光器，美国能源部科学用户设施办公室。然而，研究人员已经确信他们的方法可以补充传统泵浦探测实验。如果未来的测试成功，这种方法可以增强观察XFEL实验中非常基本过程的能力，还将提供一些我们希望探索的优势。这些包括更多的稳定性，更快的图像重建，更少的样本损伤和在越来越快时间尺度下进行实验的前景。
