日本理化学研究所(RIKEN)研究人员基于X 射线荧光光谱开发了一种新的光谱技术，该技术可以帮助揭示金属催化剂和参与植物光合作用的蛋白质的内部运作机制。通过使用 X 射线脉冲将电子从较低能量轨道激发到较高能量轨道来检测材料中电子的能级，当另一个电子取代它时，随后发射的 X 射线能量揭示了样品中的电子能级。在锰和钴等金属中，最高(能量最高)轨道中的电子排列可以影响材料的化学反应性以及其他物理和电子特性。这些高能电子还可以与较低轨道的电子相互作用，从而稍微改变它们的能量。因此，精确确定这些较低轨道之间的能量差可以为较高轨道中较高能量电子提供有价值的信息。然而，对于锰和钴等元素，X 射线荧光光谱会产生复杂的光谱，使其难以解析单个电子态。
铜金属的非线性共振非弹性X射线散射(RIXS)。a) 非线性 RIXS 示意图。该系统由顺序双光子吸收激发，其中包括Kβ荧光的逆过程，然后通过 Kα 发射退激发。为了简单起见，省略了未涉及的轨道和电子。b)在泵浦光子能量为8905 eV时，8048 eV发射计数率的脉冲能量依赖性(圆圈表示)，垂直条表示平均值的标准误差，实线表示采用二次函数的最佳拟合，不包括线性或常数项。c) 能谱图。泵浦光子能量覆盖整个Kβ光谱范围，而发射光子能量则主要集中在Kα1和Kα2峰周围。
现在，RIKEN SPring-8 中心的 Kenji Tamasaku 和他的同事们设计了一种方法来揭示该光谱中隐藏的特征，他们的新方法被称为非线性共振非弹性 X 射线散射，在RIKEN SPring-8 中心的先进自由电子激光器上，利用脉冲持续时间为8千万亿分之一秒(8 飞秒)的 X 射线脉冲将电子双重激发到更高的轨道，然后再有其他电子补位。该研究成果已经发表在《Nature Communications》杂志上。
在研究人员测试的铜原子示例中，第一个 X 射线脉冲从中间轨道踢掉一个电子，然后第二个 X 射线脉冲从最低轨道激发一个电子以填补该空位。然后另一个电子落入最低轨道，发射出 X 射线。通过这种方式重排电子可以更准确地测量原子的轨道能量。具体来说，第二次激发是 X 射线荧光的逆过程，并将这种逆荧光过程与荧光过程相结合，使可以收集的有关较高轨道中的电子的信息加倍。因此，该技术比传统荧光光谱揭示了更多信息。研究人员希望将这项技术应用于光合作用中的放氧复合物，这个复合体含有锰并且利用阳光中的能量来分解水分子，但是尚未完全理解其机制。Tamasaku 说：“这个系统已经使用传统的荧光光谱进行了广泛的研究，但我们希望我们的新的非线性光谱能够揭示更详细的信息，以更好地理解其机制。”
原标题：一种可以揭示更多隐藏信息的新的非线性共振非弹性X射线散射技术
