约翰·C·H·斯宾塞（1946-2021）

瑞金特教授、亚利桑那州立大学（ASU）理查·斯内尔物理学教授约翰·斯彭斯·福门斯（John C.H.Spence ForMemRS）于2021年6月28日去世，他在电子和X射线成像的科学和方法学方面不断开创新的先河。约翰的职业生涯跨越了高分辨率电子显微镜的发展，首次观察到原子尺度上的位错扭结以及金属氧化物和砷化镓中的键，利用单原子场发射尖端发射的电子进行投影成像，以及首次演示无透镜X射线成像，并在使用X射线自由电子激光器的系列飞秒晶体学这一引人注目的新领域达到顶峰。他对衍射和结晶学中的相位问题着迷，与劳伦斯·布拉格（Lawrence Bragg）有着密切的智力联系，后者首次尝试利用单位-细胞维度的变化来绘制潜在的分子变换。同步辐射设施中的波动器装置以及后来的X射线自由电子激光器所固有的亮度，为成像和衍射方面的新想法和新方法提供了相干光束和肥沃土壤。约翰对傅里叶光学和显微镜理论、相干微衍射、动态衍射、固态和量子物理的渊博知识，以及追溯到启蒙时代的仪器发明（他的一些英雄人物是瑞利勋爵、汉弗莱·戴维和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦）带来了一系列新的仪器和方法。约翰是一位出色的论文、书籍、电子邮件、列表和便利贴作家。他通过这些作品，通过与世界各地的同事和陌生人的热情交谈和互动，自由而广泛地分享了想法。

约翰出生于澳大利亚堪培拉。他的父亲是一名获得勋章的澳大利亚皇家空军飞行员，约翰四岁时在朝鲜战争中阵亡。他的母亲性格坚强，给他灌输了强烈的公平感、同情心、人道主义和善良，使他在整个学术生涯中脱颖而出。他在墨尔本大学与Alan Spago一起攻读电子能量损失光谱学（EELS）博士学位。墨尔本大学与CSIRO一起，是电子显微镜的早期堡垒。在牛津大学与Peter Hirsch爵士、David Cockayne和Mike Whelan进行的博士后研究中，John利用晶体中原子柱引起的沟道效应和透镜效应，提出了动态衍射理论和TEM中成像原子的追求。他于1976年来到美国，加入了约翰·考利（John Cowley）的团队。约翰·考利是前墨尔本教授，也是亚利桑那州立大学高分辨率电子显微镜中心（Center for High Resolution Electron Microscopy）的创始人。在那里，他研究了扫描透射电子显微镜（STEM）的理论，继续使用这种显微镜配置的EELS，并进一步发展了将通过晶体传播的电子波场作为透镜形式或通过测量X射线荧光作为驻波相位的函数来定位掺杂原子的方法的想法。他使用高分辨率TEM成像半导体中的缺陷，解决了硅中位错核的“洗牌或滑动”机制这一著名问题。1995年，他与哈里·科拉尔（Harry Kolar）一起利用禁止的f.c.c.反射，沿着部分位错想象出了移动的位错扭结。他还首次观察到彭德尔松辐射和相干轫致辐射由于电子通过晶体的周期电势，这是他在生物设计研究所与比尔·格雷夫斯共同开发紧凑型XFEL的最新工作的先驱。

20世纪80年代，作为助理教授，John与Mike O'Keefe和Jian-Min Zuo一起继续在STEM中开发会聚束电子衍射，以定量准确地绘制电荷密度分布。这最终导致了对原子的直接观测d日-氧化铜的轨道。2005年，与迈克·奥基夫（Mike O'Keefe）合作，他也是第一个将电荷翻转算法应用于实验数据并求解真实结构的人。此时，约翰还开始研究各种数学方法，以直接解决确定未知晶体结构的多光束动态衍射反演问题。在他的余生中，他一直致力于这一探索，并最终与杰弗里·多纳泰利（Jeffrey Donatelli）一起发布了一个基于迭代投影方法的优雅而完整的解决方案。在2021年5月的一次演讲中，约翰谈到了他对完成这项工作的满意程度，他说这是他最引以为傲的。但除了这些理论基础之外，约翰还是一个修修补补的人，他热爱仪器仪表（和老爷车）。约翰实验室取得的一项重大成就是1986年第一台用于电子显微镜的CCD相机，后来由盖坦全面开发。在20世纪90年代初，他与魏达·钱和后来的乌维·魏尔斯塔尔一起，使用单个原子电子场发射源获得了低能电子投影和反射全息图。大约在那时候，约翰开始感兴趣，并研究了在碳原子下方以电子能成像生物标本的可能性K（K）-外壳以减少辐射损伤。与西奥·维基奥内（Theo Vecchione）合作，他致力于设计用于快速成像的相干光场电子源。由于扫描隧道显微镜的发明，他与William Lo一起将一台放在TEM支架内，同时拍摄STM和反射模式TEM图像。然后，他与Uwe Weierstall一起，将STM与飞行时间光谱仪结合起来，用于识别表面上的原子种类。他经常引用汉弗莱·戴维（Humphry Davy）的话：“没有什么比应用新仪器更能促进知识进步了”，他喜欢我们科学先辈的独创性（他的喜悦之情从他最近出版的关于光速测量历史的书《光速》（Lightspeed）中跳出来）。

除了在材料电子显微术方面的发展外，John还是获得NSF拨款以获得ASU低温电子显微镜的推动力，ASU目前安装在西南像差校正电子显微镜中心。由于他在电子显微镜方面的成就，约翰于2006年获得美国显微镜学会杰出科学家奖，2012年获得美国晶体学会布尔格奖章，2014年获得国际显微镜学会联合会J.M.考利奖章，美国显微镜学会伯顿奖（1980年）和1991年洪堡高级科学家奖。约翰于2015年成为皇家学会会员（外国会员），2016年成为澳大利亚科学院相应（外国）会员。他还是美国科学促进会、美国国家发明家学会、美国物理学会、美国显微镜学会、英国皇家显微镜学会、英国物理研究所的研究员，以及英国剑桥丘吉尔学院的海外研究员。

1997年至1998年，在劳伦斯伯克利实验室（Lawrence Berkeley Laboratory）休假，在那里度过了十年的夏天，从事研究和科学咨询委员会的工作，为约翰的兴趣掀开了新的篇章。1999年，约翰·缪（John Miao）、大卫·赛尔（David Sayre）等人演示了非周期物体相干X射线衍射图案的直接相位，这引起了约翰的兴趣。他发起了一系列关于相干性和相位恢复的长期国际研讨会，汇集了汇聚束电子衍射、电子全息、电子ptychography、初露头角的X射线衍射成像以及非凸优化问题的领先专家。约翰开始与马尔科姆·豪威尔斯（Henry Chapman后来加入）一起调查这种方法的机会和局限性。他们利用软X射线首次演示了无透镜三维成像，并探索了辐射损伤的局限性。问题是，这种方法是否可以实现大分子的原子成像，而无需结晶。虽然Janos Hajdu的小组刚刚发表了利用可能的自由电子激光脉冲进行超常辐射损伤的想法，但John还有许多其他想法，他以其特有的活力追求这些想法，例如用连续X射线或电子源从排列在偏振激光场中的分子流中衍射，以及复兴了Kam提出的一个旧想法，即从相同但随机取向的分子系综的快照相干衍射图案计算强度相关性。来自同一分子的散射光子的相关性会累积，而来自不同分子的光子会被冲掉。短的曝光时间将冻结因刚体旋转而产生的任何模糊。约翰创造了“破坏前衍射”这一短语，以应对库仑爆炸，产生了强烈的飞秒脉冲，并与哈伊杜、伊尔梅·施利钦、佩特拉·弗罗姆和亨利·查普曼等许多人一起加入了大型合作，在Linac相干光源上进行了首次实验，第一次X射线自由电子激光。这种后来被称为串行飞秒晶体学的方法的成功依赖于许多因素——其中最重要的是用于晶体传输的液体微射流，约翰与布鲁斯·多克、丹·德蓬特和乌韦·魏尔斯塔尔一起完善了这一方法。该方法成为XFEL中使用最广泛的技术，在室温下提供具有时间分辨率的无辐射损伤大分子结构。这在很大程度上归功于国家科学基金会科学技术中心“BioXFEL”的许多合作者的努力，该中心由John创建，他是该中心的科学总监，目前由13个合作机构组成。他总是乐于接受新想法，并慷慨地投入时间，鼓励希望利用新XFEL技术的新项目和研究人员。因此，他为利用连续晶体学方法获得不受辐射诱导化学（和相关结构变化）影响的结构铺平了道路，并通过混合和注入系统等开发技术获得了结构酶学。John与Janos Hajdu和Henry Chapman一起获得瑞典皇家科学院2021年Gregori Aminoff奖，以表彰他们对基于FEL的结构生物学的贡献。可悲的是，约翰没有活着出席因当前疫情而推迟的仪式。

约翰是一位多产的作家和他的专著高分辨率电子显微镜和电子显微衍射（与左建民合著）是电子显微镜工作者不可或缺的经典之作。他的电子邮件，就像他的对话一样，充满了不敬的智慧、盲目的见解、建议和鼓励，而且往往很难跟上。他的作品显示出对主题的深入理解，但对促成最新进展成功的因素有着清晰的理解。其中一个例子是他的第一篇社论，题为“X射线激光和结晶学”，是IUCrJ大学他写道：“正如科学史上经常发生的那样，这一突破最终发生在多个领域的接口上——同步加速器科学（尤其是其插入设备）、激光物理，以及二战后兴起的雷达微波管研究。”最近，在斯坦福附近的SLAC实验室建造了第一台硬X射线激光器，即美国能源部的Linac相干光源（LCLS），这一切达到了顶峰。2009年4月21日，第一次X射线激光发生在这条2英里长的隧道中，电压约为2千伏，当时人们激动万分，理论预测证明是准确无误的。“他接着承认了DOE的远见”DOE在承诺600万美元×10万美元时进行的赌博⁶2004年左右LCLS的建设值得称赞，在这些日子里，低风险增量科学似乎是克服高风险吸引资金的唯一途径。它会发光吗？它有用吗？在过去的五年里，他们的愿景得到了证实，在许多领域都有突破性的应用，从材料科学、原子和分子物理到凝聚态物理和生物。”

他有高度的社区服务意识，这反映在许多领域，包括他对国际结晶学联盟的服务。除了担任该杂志的主编（物理学和FEL科学与技术）外IUCrJ大学自该杂志发行以来，约翰一直是《水晶学报》。A类1989年至1999年，曾任职于IUCr电子衍射委员会（现为电子晶体学委员会）（1996年至2002年；主席2002年至2005年）和电荷、自旋和动量密度委员会（现称为量子晶体学）（1999年至2008年）。2012年，我们中的一位（SSH）作为IUCr期刊的主编，在阿德莱德举行的AsCA会议上与John接洽，领导其中一个部分（物理学和自由电子激光科学与技术），概述了IUCrJ大学他立刻意识到了它的重要性。尽管时间紧迫，他还是同意了，并开始想出如何制作IUCrJ大学FEL科技的天然家园。推出IUCrJ大学2012年12月5日，由五位主要编辑（E.N.Baker、C.R.A.Catlow、G.R.Desiraju、S.Larsen、J.C.H.Spence）共同发布。除了为他的部分组建一支出色的Coeditor团队，并鼓励主要作者提交高质量的论文外，John还带头撰写了一篇题为“从头算起使用纳米晶形状变换和不完整单元单元进行相位调整，这出现在《创刊》上。

约翰还有很多其他爱好，包括航海、古董车和音乐。多年来，他热衷于钢琴、吉他和长笛演奏，并与其他ASU教员和博士后一起在多个乐队演出。他最新的合奏《谁知道》让许多会议的与会者大吃一惊——这是BioXFEL会议的一个特色。

约翰因其机智、慷慨、开放、对广大社区的责任感而被人们铭记，尤其是他在科学领域做出的巨大科学贡献，反映在以下一些书籍和论文中。

约翰的妻子玛格丽特（Margaret）、妹妹佩妮（Penny）、儿子安德鲁（Andrew）、妻子丽贝卡（Rebecka）和两个孙子，以及三个继子詹姆斯（James）、丹尼尔（Daniel）和彼得·斯坦茨勒（Peter Stanzler）及其家人，都是约翰的生还者。

致谢

我们感谢玛格丽特·斯彭斯的澄清和投入。

工具书类

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这份讣告最初发表于IUCrJ大学 (2021). 8，705–708.