新型X射線顯微鏡

美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)的工程師們?cè)O(shè)計(jì)了一種奇怪的新型X射線顯微鏡，它利用量子物理學(xué)的奇特世界，對(duì)生物分子進(jìn)行高分辨率的“幽靈成像”，但輻射劑量較低。X射線顯微鏡是對(duì)樣品進(jìn)行高分辨率成像的有用工具，但其中涉及的輻射會(huì)損害敏感樣品，如病毒、細(xì)菌和一些細(xì)胞。降低輻射劑量是解決這一問(wèn)題的一種方法，但不幸的是，這也降低了圖像的分辨率。

現(xiàn)在，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)找到了一種以較低輻射劑量保持較高分辨率的方法--他們要做的就是利用量子物理學(xué)的奇特之處，這些奇特之處讓愛(ài)因斯坦等人摸不著頭腦。

在標(biāo)準(zhǔn)的X射線顯微鏡中，一束光子被送過(guò)樣品，并被另一側(cè)的探測(cè)器收集。但在該團(tuán)隊(duì)的新型量子增強(qiáng)型X射線顯微鏡中，光束被分成兩束，只有一半穿過(guò)樣品--然而，兩束光都能進(jìn)行測(cè)量。

這怎么可能呢？這都要?dú)w功于一種被稱為量子糾纏的奇怪現(xiàn)象。從本質(zhì)上講，兩個(gè)粒子可以變得如此相互糾纏，以至于與其中一個(gè)粒子的相互作用將立即改變其伙伴的狀態(tài)，無(wú)論它們之間的距離有多遠(yuǎn)。這意味著信息在它們之間的移動(dòng)速度超過(guò)了光速，而光速被認(rèn)為是一個(gè)硬限制--因此愛(ài)因斯坦不愿意接受這種現(xiàn)象。

在新型X射線顯微鏡的情況下，分束器產(chǎn)生了成對(duì)的糾纏光子。其中一個(gè)穿過(guò)樣品，并像往常一樣將信息傳遞到探測(cè)器。但同時(shí)，這也會(huì)導(dǎo)致它的伙伴也自動(dòng)改變狀態(tài)，盡管它還沒(méi)有接觸到樣品。當(dāng)它撞上自己的檢測(cè)器時(shí)，就可以從中獲得額外的信息。

“一束光子穿過(guò)樣品，被一個(gè)探測(cè)器收集，探測(cè)器以良好的時(shí)間分辨率記錄光子，而另一束光子則編碼光子傳播的準(zhǔn)確方向，”該項(xiàng)目的首席光束線科學(xué)家Andrei Fluerasu說(shuō)。“這聽(tīng)起來(lái)像是魔法。但通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，我們將能夠?qū)蓚€(gè)光束的信息關(guān)聯(lián)起來(lái)。”

這個(gè)過(guò)程被稱為“幽靈成像”，到目前為止，它只用于可見(jiàn)光的光子。新的顯微鏡將是第一個(gè)將該技術(shù)適應(yīng)X射線的技術(shù)，允許捕獲小于10納米的樣品的圖像，而不會(huì)破壞它們。

隨著設(shè)計(jì)和概念的規(guī)劃，新的X射線顯微鏡將在美國(guó)國(guó)家同步輻射光源II（NSLS-II）建造。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，它應(yīng)該在2023年開(kāi)始運(yùn)行。