由理研SPring-8中心光束线开发团队特聘研究员山口刚太博士、SACLA光束线基础设施组组长矢桥真纪奈博士和大阪大学副教授组成的联合研究小组，开发出一种新型X射线成像技术，仅需一次X射线照射即可实现大面积、高分辨率的纳米级成像，无需移动样品或X射线束。该成果已于6月3日在线发表于《自然·光子学》。
传统高分辨率X射线成像需要连续扫描样品或X射线束，在观测超过1微米的大面积区域时耗时较长。新技术利用X射线自由电子激光器(XFEL)装置"SACLA"将X射线脉冲聚焦至小于10纳米的极小点，以小于10飞秒(不足一千亿分之一秒)的脉冲照射样品，通过"同轴全息术"记录全息图，再经计算机处理重建图像。
图 1. 本研究中开发的 X 射线成像技术概述。
SACLA将X射线脉冲聚焦到一个纳米级的点(点光源)，并利用由此扩散的光束，仅需一次X射线照射即可获取大面积的高分辨率图像。然后，通过计算机处理对X射线相机记录的全息图进行分析和重建。
研究中面临的主要挑战是XFEL脉冲强度分布的"波动"以及X射线光学元件表面微小不规则性引起的波前"畸变"，这些因素会导致图像质量下降。研究团队开发了一种校正算法，结合统计提取波动特征和精确测量波前畸变两种方法，有效提高了图像质量。实验结果显示，单个XFEL脉冲即可获得视场超过1微米、分辨率约10纳米(约为人类头发丝直径的万分之一)的清晰图像。
图 2：照明 X 射线束全息图中出现的“波动”和“畸变”示例。
图 3：通过校正 X 射线束波动和畸变来提高图像质量。
这是应用本研究开发的校正算法所获得的清晰图像示例。由于减少了X射线束“波动”和“畸变”的影响，与未校正的图像相比，校正后的图像中银纳米立方体的轮廓更加清晰。
X射线束表现出XFEL特有的“波动”(左图：每次脉冲的强度分布变化)和由X射线光学元件引起的“畸变”(右图：由微小表面不规则性等引起的波前畸变。颜色差异表示畸变程度)。这些因素会降低图像质量，因此每次曝光后都需要进行校正。
研究团队表示，该技术有望用于观测传统方法难以捕捉的纳米尺度瞬时现象，包括材料断裂瞬间、聚变燃料压缩过程、半导体器件工作时的结构变化、电池材料中离子运动以及生物分子功能发挥时的结构变化等，将为材料科学、能源科学和生命科学等领域提供新的研究手段。未来该方法还有望与SACLA及下一代同步辐射装置SPring-8-II结合，发展为包含时间演化的四维纳米成像技术。
