High-fluence and high-gain multilayer focusing optics to enhance spatial resolution in femtosecond X-ray laser imaging

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作者
Hirokatsu Yumoto,Takahisa Koyama,Akihiro Suzuki,Yasumasa Joti,Yoshiya Niida,Kensuke Tono,Yoshitaka Bessho,Makina Yabashi,Yoshinori Nishino,Haruhiko Ohashi
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:15
标识
DOI:10.1038/s41467-022-33014-4
摘要

With the emergence of X-ray free-electron lasers (XFELs), coherent diffractive imaging (CDI) has acquired a capability for single-particle imaging (SPI) of non-crystalline objects under non-cryogenic conditions. However, the single-shot spatial resolution is limited to ~5 nanometres primarily because of insufficient fluence. Here, we present a CDI technique whereby high resolution is achieved with very-high-fluence X-ray focusing using multilayer mirrors with nanometre precision. The optics can focus 4-keV XFEL down to 60 nm × 110 nm and realize a fluence of >3 × 105 J cm-2 pulse-1 or >4 × 1012 photons μm-2 pulse-1 with a tenfold increase in the total gain compared to conventional optics due to the high demagnification. Further, the imaging of fixed-target metallic nanoparticles in solution attained an unprecedented 2-nm resolution in single-XFEL-pulse exposure. These findings can further expand the capabilities of SPI to explore the relationships between dynamic structures and functions of native biomolecular complexes.
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