工程师最近设计了奇怪的新型 X 射线显微镜,利用量子特性对生物分子进行前所未有的成像方法,只需小部分辐射剂量就可得到高解析照片。
X 射线显微镜是用来对样品进行高解析成像的工具,科学家利用强大的 X 射线来“查看”材料(如蛋白质)原子级的结构、化学及电子组成。但 X 射线辐射穿透力强,也会损坏敏感一些样品如病毒、细菌、植物细胞等,解决该问题的方法之一是减少辐射剂量,但这反过来又会降低成像分辨率。
如果能打造出量子 X 射线显微镜,科学家便能以非常低的 X 射线剂量得到超高分辨率的生物分子成像,于是来自美国能源部布鲁克黑文国家实验室(BNL)的团队,开始在美国国家同步加速器光源 II(NSLS-II)上建造量子增强型 X 射线显微镜(Quantum X-ray microscope),将利用称为“鬼影成像(ghost image)”的实验技术来实现这种非凡功能。
典型的 X 射线成像是将单束光子打过样品,而量子 X 射线鬼影成像则是将 X 射线分成 2 个纠缠的光子流,只有其中一个会通过样本、但两者都能收集讯息,也就是神秘的量子纠缠特性。
NSLS-II 科学家 Andrei Fluerasu 表示,一个光子流穿过样品并经由探测器收集数据,另一个光子流则编码了光子传播的确切方向,这听起来像变魔术,但透过数学计算,我们能够串联起来自两束光的讯息。
由于光束分离,因此样品仅暴露于小剂量 X 射线辐射,且未通过样品的光子束与通过样品的光子束相干,因此可以维持全剂量 X 射线辐射的分辨率。目前鬼影成像技术仅成功用于可见光,要转化为 X 射线光还有一段路要走,正在建造的新型量子 X 射线显微镜将是第一个尝试用鬼影成像结合 X 射线的技术。
如果一切按计划进行,显微镜将在 2023 年投入营运。
- Quantum X-ray microscope “ghost images" molecules using entanglement
- Quantum X-ray Microscope Underway at Brookhaven Lab
(首图来源:布鲁克黑文国家实验室)