自由电子驱动范德华结构产生水窗 X 射线的基本标度律

水窗 X 射线在医学和生物应用中至关重要，能够在无需外部染色的情况下对生物细胞在其近天然状态下进行天然对比成像。然而，水窗 X 射线源的输出光子能量可以任意指定——这是许多高对比度成像应用中的一个关键特征——除了大型同步辐射设施外，仍然难以获得。在本文中，我们通过展示从自由电子驱动的范德华材料中进行桌面级水窗 X 射线生成，为这一挑战提供了一个解决方案，从而实现了输出光子能量在整个水窗波段内连续可调。此外，我们提出了一种真正的预测性理论框架，将第一性原理电磁学与蒙特卡洛模拟相结合，以绝对数值精确预测光子通量和亮度。利用该框架，我们在理论上获得了可调光子通量的基本标度律，与实验结果吻合良好，并为基于自由电子驱动量子材料设计强力发射器提供了路径。我们表明，在紧凑性很重要的条件下，我们可以实现成像和光谱应用所需的光子通量（样品上每秒超过 1E8 个光子），而不需要同步辐射源的极高通量。重要的是，我们的理论强调了范德华结构中大平均自由程和层间原子间距所起的关键作用，展示了后者在产生水窗 X 射线方面相对于其他材料的优势。我们的结果将为水窗 X 射线生成和高分辨率生物成像中的先进技术和新模态铺平道路。