新型X射线技术将噪声转为数据

美国能源部阿贡国家实验室联合德国马克斯·普朗克核物理研究所、欧洲X射线自由电子激光器（XFEL）团队共同宣布，成功研发出随机受激X射线拉曼散射（s-SXRS）技术。这项能将实验噪声转化为珍贵数据的新方法，或将彻底改变人类观测电子运动的微观视角，促进化学等多学科的发展。该成果于近日发表在《自然》杂志上。

研究团队利用全球最强大的X射线激光器——XFEL的独特性能，使s-SXRS技术能以前所未有的分辨率，捕捉原子内部电子结构及其相互作用的精细图像。

实验过程中，当XFEL发射的X射线脉冲穿过氖气时，仪器记录下的拉曼信号被放大了近10亿倍。拉曼信号这种特殊的“X射线指纹”如同原子的“身份证”，清晰揭示了其激发态电子结构的信息。

与传统方法需在不同能级间缓慢扫描不同，新技术通过分析输入脉冲与产生的拉曼信号的关联性，仅需整合多个瞬时快照，就能构建出完整的电子能谱图。借助这一方法，研究团队获得了飞秒（千万亿分之一秒）时间尺度上电子运动的“定格影像”。

研究团队解释道，大量X射线脉冲不仅增强了信号强度，更通过协方差分析这项统计技术，将原本被视为干扰的噪声转化为宝贵的数据资源。这种方法既实现了分辨率质的飞跃，又将观测速度提升到全新维度。计算机模拟结果与实验数据高度吻合，为理解X射线与物质的相互作用提供了可靠模型。

s-SXRS技术的应用前景极为广阔：从揭示化学键断裂与形成的奥秘，到指导具有特殊性能的新材料设计；从推动纳米技术发展到革新电子器件制造。而且，随着技术持续优化，s-SXRS有望成为全球实验室的“标配”，为多学科研究注入创新活力。