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X射線未來發展綜述

2022-02-25 16:19:23

自從1895年威廉·倫琴發現X射線,倫琴因此獲得了第一個諾貝爾物理學獎開始,X射線科學已經發展了超過125年。X射線的出現從根本上改變了世界包括醫學成像、安全掃描儀、工業檢測、材料開發和藥物光譜在內的多個領域。迄今為止,X射線科學已經在物理學、化學和醫學/生理學領域獲得了超過25項諾貝爾獎。由于X射線發電是一項高度商業化、廣泛采用的技術,似乎X射線科學的基本原理已經被理解的很通透。然而,近年來量子材料和微納加工工藝的進步,為X射線的研究和開發提供了全新的機遇。

近期,來自新加坡南洋理工學院NTU的Liang Jie Wong教授和以色列理工學院Technion的Ido Kaminer教授聯合在Applied Physics Letters上以Prospects in X-ray science emerging from quantum optics and nanomaterials為題發表綜述文章,系統總結了量子科學和納米材料的發展為X射線科學的未來研究帶來的前景。具體來說,文章概述了在不久的將來推進X射線科學的三個關鍵機會:(1)用于X射線產生的新興材料平臺,特別是2D材料及其異質結構;(2) 用于X射線量子光學的糾纏光子-光子和電子-光子對的自由電子驅動發射;以及(3)通過調控自由電子波包來實現可控X射線發射。這些研究方向有望為X射線共振熒光透視、高對比度X射線成像、受激相干X射線、X射線超輻射以及X射線量子光學帶來顛覆性的改變和影響。

X射線在現代社會中不可或缺,X射線廣泛應用于醫學成像、工業質量檢測、安全掃描和基礎研究。雖然X射線管在醫療、工業和科學應用中無處不在,但近幾十年來,也逐漸涌現出了高強度、可調,以及巨大、昂貴的同步加速器和自由電子激光設備等一大批新形式的定向X射線源。通過產生超短X射線脈沖,這些設備為材料動力學和生物過程的光譜學打開了大門。此外,這種X射線源的相干性通過相襯技術實現了更高分辨率的成像,通過減少所需劑量實現了更安全的醫療成像、和下一代微芯片安全檢查。然而,同步加速器和自由電子激光器的巨大體積和建設成本,已經成為它們在商業和醫療應用中的巨大障礙。軟X射線已被證明在生物成像中非常有用,特別是在水窗中,水對X射線是透明的,有助于研究有機化合物和自然水環境中的生物樣本。硬X射線對于醫學成像和安全掃描儀尤為重要,更硬的X射線與伽馬射線接近,用于大規模工業應用。 從物理本質上來說,自由電子是X射線產生的核心。自由電子很容易產生并以相對較低的動能加速到相對論速度,使它們能夠有效地作為高度非線性的光學介質。這一事實可能最容易在逆康普頓散射中看到:如圖1所示,在逆康普頓散射中,運動電子的光散射可以多普勒上移到更高的頻率?;陬愃频脑?,X射線同步加速器和自由電子激光設備通過將電子加速到超現實動能來產生X射線(例如,100兆電子伏到幾兆電子伏),然后通過磁波蕩器調制這些電子。

人們對越來越緊湊、高效和高質量的X射線源持之以恒的追求帶來了科技飛速的發展??s小自由電子X射線源(如X射線自由電子激光器)中電子加速器階段體積的前景激發了全世界研究人員對高梯度加速機制的研究,如使用片上硅光電器件和太赫茲加速的激光驅動等離子體加速和電介質激光加速。在激光驅動的自由電子輻射機制(如逆康普頓散射)中,有效波蕩器周期可以比傳統的磁擺動器和波動器小100-1000倍,并允許使用相對較低能量的電子發射X射線,因此其體積更緊湊。在X射線管中,碳納米管發射器已被證明比傳統陰極具有優勢,例如其具有改進的電子束輪廓,更高的效率束流,并增強了時間穩定性。

不需要外部自由電子源的X射線產生機制也吸引了很多興趣。強激光與等離子體在高次諧波產生中的相互作用產生軟X射線阿秒脈沖和頻率梳。緊湊型、高通量硬X射線源已通過激光驅動固體目標的特征X射線發射得到證實,摩擦發光已成為產生10量級X射線脈沖的一種方法。然而,應注意的是,盡管這些技術不涉及外部自由電子源,但它們都依賴于電磁場對至少部分自由電子的加速,以達到相對較高的動能。 隨著越來越多的X射線產生技術多年來的廣為人知和完善,X射線科學現在已經是一個成熟的研究領域,似乎所有關于它的知識都已經為人所知。然而,近年來隨著量子材料和微納加工工藝的進步,該領域重新煥發了活力,并導致了X射線領域重要的技術進步和新型X射線源概念的提出。

在這篇文章中,研究人員指明了目前X射線科學發展中的新興研究方向,這些方向為未來的X射線技術開辟了獨特的機會,并且由于納米光子學、2D材料和量子光學的進步,使得我們現在這一代研究人員才能夠有條件得以研究。同時,文章描述了自由電子的高度非線性和光譜寬帶性質如何使我們能夠利用納米光子學的多功能性來操縱和增強X射線發射。例如,通過納米光子學的能力可以調控光學、紅外、太赫茲和微波波長的光流。最后,文章仔細討論了X射線科學未來發展的三個主題:研究新興材料作為緊湊、可調和高亮度X射線產生的納米光子平臺;量子光學中糾纏光子和電子光子對的自由電子驅動發射;以及電子波函數的量子波包整形,以調控X射線輻射的時空分布。

此外,納米制造方法的快速發展使得人們發現了越來越廣泛的材料,從而可以在亞波長尺度上操縱光。這些材料包括等離子體材料、2D材料、超材料、超表面和已用于設計和增強經典和量子光源的拓撲材料。然而,由于原子躍遷主要在可見光和近紫外范圍內,即對應于低能光子(∼1–10eV),這些光源的頻率限制在遠低于X射線的范圍內。即使在存在極紫外(EUV)和X射線躍遷的情況下(例如核-殼躍遷),電子的躍遷速率也太快,從而無法將激光概念擴展到EUV和X射線。

由于電子的兩種獨特性質:帶電粒子庫侖場的光譜寬帶性質和移動自由電子作為高度非線性光學介質的能力,自由電子可以彌合納米光子學和X射線之間的差距。納米光子學可以簡答地理解為將自由電子的能量轉換為X射線輻射的中介。在同步加速器和自由電子激光器中,電子的光學非線性已經被用于產生X射線,相對論電子速度多普勒將波蕩器厘米級的周期性移到亞納米X射線波長。將有效波蕩器周期性降低到微米級,將使得我們能夠使用低能電子進行更緊湊的設置,從而實現基于紅外或光源的逆康普頓散射設計。在逆康普頓散射中,目前已經有研究人員提議使用布拉格結構來引導反向傳播的激光脈沖,從而克服自由空間激光脈沖中的衍射問題,并將輸出強度提高48個數量級。利用介質結構形成高重復頻率和中等功率激光場輪廓以實現電子偏轉的全介質波蕩器這一構想也已被提出作為實現臺式X射線自由電子激光器的一種手段。


傳統的X射線管由于缺乏可調諧性,其輸出的X射線譜峰取決于陽極材料而不是電子能量,并且發射是各向同性和非極化的?;谧杂呻娮蛹{米光子學的X射線源在需要高亮度、動態可調諧、單色和高方向性X射線的應用中前景廣闊。

在軟X射線熒光光譜中,可調諧能量激發將使人們能夠研究共振現象并識別導致X射線衛星結構的多電子激發。此外,由于可以選擇X射線光子能量,因此可調諧X射線光子能夠在不同的化學環境中實現對相同原子物種的位置選擇性。因此,核心電子被提升到未被占據的狀態,并在特定位置具有較強的局部化。通過利用納米光子X射線源的明確偏振并以角度選擇性檢測X射線發射,可以獲得關于材料化學鍵合構型等更加微觀的重要信息。納米光子X射線源這些優勢在諸如超快X射線光譜學和相襯成像等技術中將會產生革命性的影響。

總之,這篇綜述指出了X射線科學的創新研究方向,為未來的X射線技術開辟了獨特的機會,并且由于納米材料和量子光學的進步,最近變得更加容易獲得。文章詳細描述了自由電子的高度非線性和光譜寬帶性質如何使我們能夠利用納米光子學的多功能性來操縱和增強X射線發射。文章指出了X射線未來發展的三大主題:1.研究新興材料作為緊湊、可調諧和高亮度X射線產生的納米光子平臺;2.電子波函數的量子整形以控制發射X射線的時空分布;以及3.符合測量方案中輸出電子和光子的糾纏。這三大主題將會明朗未來X射線研究的前景,并有助于推動該領域未來的發現。

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