新型X射線顯微鏡

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美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的工程师们设计了一种奇怪的新型X射線顯微鏡,它利用量子物理学的奇特世界,对生物分子进行高分辨率的“幽灵成像”,但辐射剂量较低。X射线显微镜是对样品进行高分辨率成像的有用工具,但其中涉及的辐射会损害敏感样品,如病毒、细菌和一些细胞。降低辐射剂量是解决这一问题的一种方法,但不幸的是,这也降低了图像的分辨率。

現在,布魯克海文國家實驗室的研究團隊已經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的奇特之處,這些奇特之處讓愛因斯坦等人摸不著頭腦。

 

在標准的X射線顯微鏡中,一束光子被送過樣品,並被另一側的探測器收集。但在該團隊的新型量子增強型X射線顯微鏡中,光束被分成兩束,只有一半穿過樣品--然而,兩束光都能進行測量。

 

這怎麽可能呢?這都要歸功于一種被稱爲量子糾纏的奇怪現象。從本質上講,兩個粒子可以變得如此相互糾纏,以至于與其中一個粒子的相互作用將立即改變其夥伴的狀態,無論它們之間的距離有多遠。這意味著信息在它們之間的移動速度超過了光速,而光速被認爲是一個硬限制--因此愛因斯坦不願意接受這種現象。

在新型X射線顯微鏡的情况下,分束器产生了成对的纠缠光子。其中一个穿过样品,并像往常一样将信息传递到探测器。但同时,这也会导致它的伙伴也自动改变状态,尽管它还没有接触到样品。当它撞上自己的检测器时,就可以从中获得额外的信息。

 

“一束光子穿过样品,被一个探测器收集,探测器以良好的时间分辨率记录光子,而另一束光子则编码光子传播的准确方向,”该项目的首席光束线科学家Andrei Fluerasu说。“这听起来像是魔法。但通过数学计算,我们将能够将两个光束的信息关联起来。”

 

這個過程被稱爲“幽靈成像”,到目前爲止,它只用于可見光的光子。新的顯微鏡將是第一個將該技術適應X射線的技術,允許捕獲小于10納米的樣品的圖像,而不會破壞它們。

 

隨著設計和概念的規劃,新的X射線顯微鏡將在美國國家同步輻射光源II(NSLS-II)建造。如果一切按計劃進行,它應該在2023年開始運行。

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