我校硬X射线自由电子激光团队江怀东、江玉海课题组分别取得重要进展

时间:2018-09-21浏览:13设置

上海科技大学为法人单位的硬X射线自由电子激光装置项目(SHINE)已于今年4月27号开工兴建,这也标志着我校的光子科学学科建设进入了一个快速发展的阶段。通过利用以自由电子激光为代表的先进光子科学装置,科学家们可以通过光与物质的丰富相互作用在原子空间尺度和飞秒时间尺度上认知物质变化。近期,江怀东课题组、江玉海课题组分别在DNA单颗粒成像和阿秒量子相干探测两个重要的研究领域取得重要进展。相关成果分别发表在知名期刊《ACS Nano》、《Physical Review Letters》上发表,这是继陈宇林课题组在《Nature Reviews Materials》、《Science Advances》上发表重要成果之后,我校硬X射线自由电子激光团队在光子科学领域最新取得的又一批重要科研进展。

DNA自组装结构在分子运输、酶催化、药物输运系统设计等领域有着重要应用。目前,获取DNA结构的手段主要是X射线衍射、常规电子显微镜及冷冻电镜(Cryo-EM)等。而X射线单颗粒成像技术可适用于活体细胞/细菌、病毒成像、单细胞个体研究、大数据下多细胞形体行为探索、高通量生物成像等。基于此,物质学院江怀东教授课题组与中国科学院上海应用物理研究所樊春海研究员、韩国浦项科技大学Changyong Song教授合作,利用X射线自由电子激光,对采用DNA折纸术构建的局域表面等离子体结构及三维DNA自组装结构进行了高空间分辨的成像实验。同时,采用美国LCLS直线加速器相干光源的实验参数,对DNA自组装结构在不同光子能量及不同脉冲能量下进行了二维与三维数值模拟,分析讨论了不同X射线自由电子激光脉冲能量下三维DNA自组装结构的衍射强度与图像分辨率的关系。结果表明,针对DNA自组装结构、RDV水稻侏儒病毒等生物研究对象,在7 keV光子能量、X射线脉冲能量大于2 mJ的情况下,可获得5-10nm的空间分辨率;而优于1nm的分辨率则依赖于样品传输装置、探测器系统、深度学习分类算法及相位恢复算法的提升。

此项工作为单分子、单颗粒成像技术的发展提供了启示和借鉴,相关成果近日以“Necessary Experimental Conditions for Single-Shot Diffraction Imaging of DNA-Based Structures with X-ray Free-Electron Lasers”为题,发表在美国化学学会知名期刊《ACS Nano》上。上海科技大学访问生、山东大学博士研究生孙智斌为第一作者,物质学院江怀东教授为通讯作者,山东大学为第一完成单位,上科大为合作单位。

与此同时,量子相干是神秘量子世界的核心概念,也是量子通讯、量子计算机、纳米材料电荷转移、以及宏观上高效生物分子激发能量转移的关键机制与基础,在各种时间和各种空间尺度上决定着我们所感知的神奇量子世界。

我校物质学院特聘教授江玉海课题组从强场理论出发,利用飞秒极紫外(XUV)与太赫兹(THz)脉冲组合场的光电子谱,提出一种实验上可提取时间演化密度矩阵元、研究开放量子系统的超快相干动力学方案,同时极大提高XUV激光的分辨率。研究方案如图所示,该工作表明:1. 系统各含时密度矩阵元可被直接映射到对应动量的时变光电子谱峰;2.通过观测光电子谱中THz增强相干信号的振荡,可确定任意时刻量子态间的相对相位;3.利用现有飞秒脉冲条件,可实现对阿秒尺度上的超快量子拍频的分辨。

江玉海团队这一方案首次提出太赫兹激光在自由电子激光大装置上进行阿秒量子相干探测的新方法新思路,极大扩展和提高自由电子激光光源的应用前景和科学价值,在物理、化学和生命科学领域都是一个重大进步。

近日,相关成果以“Ultrafast Mapping of Coherent Dynamics and Density Matrix Reconstruction in a Terahertz-Assisted Laser Field”为题,发表在知名物理学期刊 《Physical Review Letters》上,物质学院特聘教授、中科院上海高等研究院江玉海为共同通讯作者。

这两项研究得到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金和上科大科研启动基金的支持。同时江怀东和江玉海团队也得到了国家重大科技基础设施建设项目(活细胞结构与功能成像等线站工程,硬X射线自由电子激光装置)的支持及成员的协助。并分别负责相关单分子、单颗粒成像的实验站和原子、分子光学实验站的建设。

硬X射线自由电子激光装置(SHINE)是国家重大科技基础设施项目。该装置可充分利用高重复频率硬X射线自由电子激光光源超高的平均亮度和峰值亮度、超短的脉冲和极好的相干性等优异品质,为成像、结构解析与谱学分析这三大类X射线实验技术带来质的飞跃,为广大科学用户提供前所未有的高分辨成像、先进结构解析、超快过程探索等尖端研究手段。

江怀东课题组论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b01838

江玉海课题组论文链接:

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.113201;


图1 X射线自由电子激光单颗粒成像示意图

图2 DNA自组装结构成像研究示意图

图3 实验方案设计图


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