【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】全息摄影与摄影一样，是记录我们周围世界的一种方式。两者都使用光来制作记录，但全息图不是二维照片，而是重现三维形状。形状是从光线从物体上跳出后形成的图案推断出来的，并干扰另一个作为参考的光波。当用X射线光线制作时，全息照相可以成为捕获纳米级物体的高分辨率图像的一种非常有用的方法 ——它的体积非常小，其尺寸以纳米或十亿分之一米为单位进行测量。到目前为止，X射线全息术仅限于形成晶体的物体或依赖于样品在表面上的仔细定位。然而许多纳米尺寸的颗粒是非结晶的，寿命短且非常脆弱。当放置在表面上时，它们也可能在实验期间遭受变化或损坏。气溶胶，物质的外来状态和最小的生命形式往往属于这些类别，因此很难用传统的成像方法进行研究。
在这项新的研究中，作者用来自参考球体的散射X射线（主图像）叠加了来自模拟病毒的散射X射线光。来自两个对象的叠加图像中的曲率提供了深度信息和关于病毒形状的细节。基于实验期间收集的X射线衍射图，右下角的图像是病毒的全息重建。图片信息及版权：Anatoli Ulmer和Tais Gorkhover /柏林技术大学和SLAC国家加速器实验室
然而许多纳米尺寸的颗粒是非结晶的，寿命短且非常脆弱。当放置在表面上时，它们也可能在实验期间遭受变化或损坏。气溶胶，物质的外来状态和最小的生命形式往往属于这些类别，因此很难用传统的成像方法进行研究。研究人员最近在Nature Photonics的2018年3月发表的一篇研究报告中发展了一种新的全息方法，称为飞行中全息。通过这种方法，他们能够展示没有附着在任何表面上的纳米级病毒的第一张X射线全息图。创建图像所需的图案是在美国能源部SLAC国家加速器实验室的X射线自由电子激光器Linac相干光源（LCLS）上拍摄的。
已经在LCLS上研究了纳米病毒而没有全息参考，但是对X射线图像的解释需要许多步骤，依赖于人类输入并且是计算上具有挑战性的任务。在这项新的研究中，作者用来自参考纳米级球体的散射X射线光将来自病毒的散射X射线光叠加。来自两个物体的叠加图像中的曲率提供了深度信息和关于450纳米宽病毒（即mimivirus）形状的细节。这种技术大大简化了数据的解释。首席研究作者Tais Gorkhover表示，SLAC的Panofsky研究员和研究员，研究人员Tais Gorkhover说：与成千上万的步骤和算法相比，可以通过两步程序清楚地从图像中获取结构。现在科学家们可以用全息方法在几分之一秒甚至更快的时间内重建样品。
显示飞行中全息原理的插图。（左）X射线散射出两个球体并形成特征衍射图案。这些图案使用SLAC的X射线激光器非常强烈的X射线束，即利纳克相干光源（LCLS）进行记录。（中心）球体的尺寸和距离的变化反映在可从衍射单独直接转换的图案中。较小的球体可以充当全息参考。（右）如果球体偏离平面，衍射图案的细线变得弯曲。参考的位置和大小的特征使研究人员能够重建小球（参考）和大球之间的三维距离。图片信息及版权：Anatoli Ulmer and Tais Gorkhover / The Technical University of Berlin and SLAC National Accelerator Laborator
美国能源部Argonne国家实验室的科学家Christoph Bostedt说：在我们的研究之前，X射线图像的解释非常复杂，纳米样品的结构在实际实验后使用非平凡算法重建很长时间，采用'飞行中'全息技术，程序非常简单，原则上可以在采集数据的同时进行，这是一个真正的突破。合着者兼研究人员Anatoli Ulmer说：飞行中全息摄影方法的另一个优点是，与非全息X射线成像相比，飞行中的全息摄影方法更容易出现噪音和出现在探测器中的伪影。从长远来看，研究人员预测，飞行中全息照相将提供研究空气污染，燃烧和催化过程的新方法，所有这些过程都涉及纳米颗粒。
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参考：Nature Photonics
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：SLAC国家加速器实验室
编译：光量子
审校：博科园
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