X光顯微具有一些獨特的優(yōu)勢：波長短，極限分辨率高;穿透能力強(qiáng)，可以穿透厚度大于幾微米甚至幾十微米的生物和材料樣品。因此，X光顯微理論上可以實現(xiàn)生物細(xì)胞組織、材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)等的原子尺度觀測。
X光衍射打開了X光顯微技術(shù)的大門，但它只能對具有周期性結(jié)構(gòu)的晶體實現(xiàn)原子級的顯微結(jié)構(gòu)分析，而大量的蛋白質(zhì)(如膜蛋白)以及多種納米材料是難以結(jié)晶的。對于非晶態(tài)樣品，傳統(tǒng)的X光顯微技術(shù)都是基于光場的一階關(guān)聯(lián)效應(yīng)，在現(xiàn)有的技術(shù)水平下難以達(dá)到原子級分辨。
近年來，利用非相干熱光場的高階關(guān)聯(lián)獲取物體圖像信息的鬼成像技術(shù)開始在遙感、超分辨等多領(lǐng)域得到應(yīng)用。不過相關(guān)研究目前尚局限于可見光波段，波長的限制導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)解析方面難以發(fā)揮其優(yōu)勢。若能在X光波段實現(xiàn)鬼成像技術(shù)，則將對實現(xiàn)非晶態(tài)樣品原子級顯微具有重要意義。
圖1 X光傅里葉變換鬼成像(FGI)實驗方案
上海光機(jī)所量子光學(xué)重點實驗室量子成像研究團(tuán)隊與上海光源BL13W1生物醫(yī)學(xué)成像及應(yīng)用光束線站合作，突破傳統(tǒng)X光成像光學(xué)理論框架，利用波長0.1 nm的非相干X光，通過測量光場的二階強(qiáng)度關(guān)聯(lián)函數(shù)，在菲涅爾區(qū)獲得了非晶態(tài)復(fù)振幅樣品的傅里葉變換衍射譜，并且在實空間成功重建了樣品的振幅和相位分布，在國際上首次實驗實現(xiàn)了X光傅里葉變換鬼成像。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在2016年9月7日國際物理學(xué)頂級期刊Phys. Rev. Lett. [117, 113901 (2016)]上。
圖2 實驗樣品傅里葉變換衍射譜(上圖振幅，下圖相位)
X光傅里葉變換鬼成像是通過測量光場的漲落及其二階關(guān)聯(lián)以獲取樣品傅里葉變換衍射譜信息。成像樣品無需結(jié)晶，其成像分辨率僅受限于X光波長，理論上這一技術(shù)可實現(xiàn)原子級分辨。并且，它不要求光源的高空間相干性，可以采用非相干X光源實現(xiàn)細(xì)胞組織以及功能材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯微，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。
圖3 實驗樣品實空間分布重構(gòu)結(jié)果(上圖振幅，下圖相位)
該研究團(tuán)隊發(fā)展的這一鬼成像技術(shù)，不僅可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等顯微領(lǐng)域，還有利于解決X光衍射成像領(lǐng)域中長期存在的相位問題。同時，該工作也為原則上不可能獲得高亮度相干源的費米子(如中子、電子等)衍射成像提供了可能的技術(shù)思路。