Новый метод суперразрешения в рентгеновской спектроскопии превращает шум в данные

При анализе с помощью дифракционной решётки усиленные сигналы Рамана обеспечивают сверхвысокое разрешение спектров, превосходящее традиционные инструментальные ограничения. Автор: Стейси Хуанг, Аргоннская национальная лаборатория

Учёные разработали революционный метод, преобразующий шум в ценные данные, что позволяет изучать химические реакции и свойства материалов с беспрецедентной детализацией на атомном уровне. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Международная команда исследователей представила инновационный метод рентгеновской спектроскопии под названием «стохастическая стимулированная рентгеновская спектроскопия комбинационного рассеяния» (s-SXRS). Технология использует возможности крупнейшего в мире рентгеновского лазера European XFEL в Шенефельде (Германия) для фиксации движения электронов с фемтосекундным разрешением.

«Химики давно мечтали увидеть, как движутся электроны в возбуждённых состояниях, ведь именно эти процессы определяют химические реакции», — поясняет Линда Янг, профессор Чикагского университета. «Наша методика приближает нас к осуществлению этой мечты».

Метод s-SXRS позволяет получать «снимки» электронных структур атомов, преобразуя шум в полезные данные. Это стало возможным благодаря статистическому анализу ковариации, который связывает входящие рентгеновские импульсы с излучаемыми сигналами Рамана.

Взаимодействие рентгеновского импульса (слева) с атомами неона (фиолетовые точки) усиливает определённые спектральные пики (справа). Автор: Стейси Хуанг, Аргоннская национальная лаборатория

Технология обеспечивает разрешение, сравнимое с принципами микроскопии сверхвысокого разрешения, за которую в 2014 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Как объясняют исследователи, это подобно переходу от стандартного разрешения к ультра-HD в изучении атомных процессов.

Практическое применение метода охватывает области от разработки новых материалов до нанотехнологий. Например, он позволяет наблюдать формирование и разрыв химических связей в реальном времени.

Экспериментальная схема метода s-SXRS. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09214-5

Для обработки данных использовались мощности суперкомпьютерного центра Argonne Leadership Computing Facility. Как отмечает Майкл Мейер из European XFEL, дальнейшее развитие технологии откроет новые возможности для изучения сложных химических реакций.

«Мы только начинаем понимать, чего можно достичь с таким уровнем детализации», — говорит Линда Янг. «Это захватывающее время для науки».

Дополнительная информация: Kai Li et al, Super-resolution stimulated X-ray Raman spectroscopy, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09214-5