X射线未来发展综述

自从1895年威廉·伦琴发现X射线，伦琴因此获得了第一个诺贝尔物理学奖开始，X射线科学已经发展了超过125年。X射线的出现从根本上改变了世界包括医学成像、安全扫描仪、工业检测、材料开发和药物光谱在内的多个领域。迄今为止，X射线科学已经在物理学、化学和医学/生理学领域获得了超过25项诺贝尔奖。由于X射线发电是一项高度商业化、广泛采用的技术，似乎X射线科学的基本原理已经被理解的很通透。然而，近年来量子材料和微纳加工工艺的进步，为X射线的研究和开发提供了全新的机遇。

近期，来自新加坡南洋理工学院NTU的Liang Jie Wong教授和以色列理工学院Technion的Ido Kaminer教授联合在Applied Physics Letters上以Prospects in X-ray science emerging from quantum optics and nanomaterials为题发表综述文章，系统总结了量子科学和纳米材料的发展为X射线科学的未来研究带来的前景。具体来说，文章概述了在不久的将来推进X射线科学的三个关键机会：（1）用于X射线产生的新兴材料平台，特别是2D材料及其异质结构；（2） 用于X射线量子光学的纠缠光子-光子和电子-光子对的自由电子驱动发射；以及（3）通过调控自由电子波包来实现可控X射线发射。这些研究方向有望为X射线共振荧光透视、高对比度X射线成像、受激相干X射线、X射线超辐射以及X射线量子光学带来颠覆性的改变和影响。

X射线在现代社会中不可或缺，X射线广泛应用于医学成像、工业质量检测、安全扫描和基础研究。虽然X射线管在医疗、工业和科学应用中无处不在，但近几十年来，也逐渐涌现出了高强度、可调，以及巨大、昂贵的同步加速器和自由电子激光设备等一大批新形式的定向X射线源。通过产生超短X射线脉冲，这些设备为材料动力学和生物过程的光谱学打开了大门。此外，这种X射线源的相干性通过相衬技术实现了更高分辨率的成像，通过减少所需剂量实现了更安全的医疗成像、和下一代微芯片安全检查。然而，同步加速器和自由电子激光器的巨大体积和建设成本，已经成为它们在商业和医疗应用中的巨大障碍。软X射线已被证明在生物成像中非常有用，特别是在水窗中，水对X射线是透明的，有助于研究有机化合物和自然水环境中的生物样本。硬X射线对于医学成像和安全扫描仪尤为重要，更硬的X射线与伽马射线接近，用于大规模工业应用。 从物理本质上来说，自由电子是X射线产生的核心。自由电子很容易产生并以相对较低的动能加速到相对论速度，使它们能够有效地作为高度非线性的光学介质。这一事实可能最容易在逆康普顿散射中看到：如图1所示，在逆康普顿散射中，运动电子的光散射可以多普勒上移到更高的频率。基于类似的原理，X射线同步加速器和自由电子激光设备通过将电子加速到超现实动能来产生X射线（例如，100兆电子伏到几兆电子伏），然后通过磁波荡器调制这些电子。

人们对越来越紧凑、高效和高质量的X射线源持之以恒的追求带来了科技飞速的发展。缩小自由电子X射线源（如X射线自由电子激光器）中电子加速器阶段体积的前景激发了全世界研究人员对高梯度加速机制的研究，如使用片上硅光电器件和太赫兹加速的激光驱动等离子体加速和电介质激光加速。在激光驱动的自由电子辐射机制（如逆康普顿散射）中，有效波荡器周期可以比传统的磁摆动器和波动器小100-1000倍，并允许使用相对较低能量的电子发射X射线，因此其体积更紧凑。在X射线管中，碳纳米管发射器已被证明比传统阴极具有优势，例如其具有改进的电子束轮廓，更高的效率束流，并增强了时间稳定性。

不需要外部自由电子源的X射线产生机制也吸引了很多兴趣。强激光与等离子体在高次谐波产生中的相互作用产生软X射线阿秒脉冲和频率梳。紧凑型、高通量硬X射线源已通过激光驱动固体目标的特征X射线发射得到证实，摩擦发光已成为产生10量级X射线脉冲的一种方法。然而，应注意的是，尽管这些技术不涉及外部自由电子源，但它们都依赖于电磁场对至少部分自由电子的加速，以达到相对较高的动能。 随着越来越多的X射线产生技术多年来的广为人知和完善，X射线科学现在已经是一个成熟的研究领域，似乎所有关于它的知识都已经为人所知。然而，近年来随着量子材料和微纳加工工艺的进步，该领域重新焕发了活力，并导致了X射线领域重要的技术进步和新型X射线源概念的提出。

在这篇文章中，研究人员指明了目前X射线科学发展中的新兴研究方向，这些方向为未来的X射线技术开辟了独特的机会，并且由于纳米光子学、2D材料和量子光学的进步，使得我们现在这一代研究人员才能够有条件得以研究。同时，文章描述了自由电子的高度非线性和光谱宽带性质如何使我们能够利用纳米光子学的多功能性来操纵和增强X射线发射。例如，通过纳米光子学的能力可以调控光学、红外、太赫兹和微波波长的光流。最后，文章仔细讨论了X射线科学未来发展的三个主题：研究新兴材料作为紧凑、可调和高亮度X射线产生的纳米光子平台；量子光学中纠缠光子和电子光子对的自由电子驱动发射；以及电子波函数的量子波包整形，以调控X射线辐射的时空分布。

此外，纳米制造方法的快速发展使得人们发现了越来越广泛的材料，从而可以在亚波长尺度上操纵光。这些材料包括等离子体材料、2D材料、超材料、超表面和已用于设计和增强经典和量子光源的拓扑材料。然而，由于原子跃迁主要在可见光和近紫外范围内，即对应于低能光子(∼1–10eV），这些光源的频率限制在远低于X射线的范围内。即使在存在极紫外（EUV）和X射线跃迁的情况下（例如核-壳跃迁），电子的跃迁速率也太快，从而无法将激光概念扩展到EUV和X射线。

由于电子的两种独特性质：带电粒子库仑场的光谱宽带性质和移动自由电子作为高度非线性光学介质的能力，自由电子可以弥合纳米光子学和X射线之间的差距。纳米光子学可以简答地理解为将自由电子的能量转换为X射线辐射的中介。在同步加速器和自由电子激光器中，电子的光学非线性已经被用于产生X射线，相对论电子速度多普勒将波荡器厘米级的周期性移到亚纳米X射线波长。将有效波荡器周期性降低到微米级，将使得我们能够使用低能电子进行更紧凑的设置，从而实现基于红外或光源的逆康普顿散射设计。在逆康普顿散射中，目前已经有研究人员提议使用布拉格结构来引导反向传播的激光脉冲，从而克服自由空间激光脉冲中的衍射问题，并将输出强度提高48个数量级。利用介质结构形成高重复频率和中等功率激光场轮廓以实现电子偏转的全介质波荡器这一构想也已被提出作为实现台式X射线自由电子激光器的一种手段。


传统的X射线管由于缺乏可调谐性，其输出的X射线谱峰取决于阳极材料而不是电子能量，并且发射是各向同性和非极化的。基于自由电子纳米光子学的X射线源在需要高亮度、动态可调谐、单色和高方向性X射线的应用中前景广阔。

在软X射线荧光光谱中，可调谐能量激发将使人们能够研究共振现象并识别导致X射线卫星结构的多电子激发。此外，由于可以选择X射线光子能量，因此可调谐X射线光子能够在不同的化学环境中实现对相同原子物种的位置选择性。因此，核心电子被提升到未被占据的状态，并在特定位置具有较强的局部化。通过利用纳米光子X射线源的明确偏振并以角度选择性检测X射线发射，可以获得关于材料化学键合构型等更加微观的重要信息。纳米光子X射线源这些优势在诸如超快X射线光谱学和相衬成像等技术中将会产生革命性的影响。

总之，这篇综述指出了X射线科学的创新研究方向，为未来的X射线技术开辟了独特的机会，并且由于纳米材料和量子光学的进步，最近变得更加容易获得。文章详细描述了自由电子的高度非线性和光谱宽带性质如何使我们能够利用纳米光子学的多功能性来操纵和增强X射线发射。文章指出了X射线未来发展的三大主题：1.研究新兴材料作为紧凑、可调谐和高亮度X射线产生的纳米光子平台；2.电子波函数的量子整形以控制发射X射线的时空分布；以及3.符合测量方案中输出电子和光子的纠缠。这三大主题将会明朗未来X射线研究的前景，并有助于推动该领域未来的发现。