北京
一种创世界纪录的硬X射线脉冲，可能为研究物质如何响应极端光强开辟新途径。
原子和分子内部的电子运动极快，要研究它们的行为，需要持续时间仅为十亿分之一的十亿分之一秒的一小部分的光闪。如今，科学家找到了一种方法，将这些超短X射线闪聚焦到极小的光斑中，使其在击中样品的位置上更加强大。
在欧洲X射线自由电子激光装置（European XFEL）的一项实验中，研究人员实现了硬X射线阿秒脉冲创纪录的强度和通量。其峰值强度超过每平方厘米10^20瓦。
“这是硬X射线阿秒脉冲在强度和通量方面的世界纪录，”该研究首席研究员、东京大学科学家井上一朗说。这一进展可能有助于科学家研究电子如何响应强光，并最终探索在化学反应过程中控制电子的方法。
精密反射镜如何汇聚X射线能量
这项实验于2026年4月进行，使用的X射线闪持续时间估计为300阿秒。一阿秒是十亿分之一的十亿分之一秒，因此这些脉冲可用于研究一些涉及电子的最快过程。
研究人员将脉冲引导通过一个先进的Kirkpatrick–Baez（AKB）光学系统，该系统由两面精密反射镜组成。每个光闪总共在反射镜上反射四次。一面反射镜在垂直方向聚焦X射线，另一面在水平方向聚焦，将光束汇聚成仅180×330纳米的光斑。
简而言之，研究人员设法将X射线聚焦到约为典型人类头发横截面十万分之一大小的区域。
这一成果建立在欧洲XFEL此前工作的基础上。此前，研究人员已在该装置上展示了太瓦级功率的硬X射线阿秒脉冲。然而，产生强大脉冲只是问题的一部分。
能量还必须以足够集中的形式到达样品，才能产生所需效应；用于在微小尺度研究物质的其他X射线激光技术也面临这一挑战。
“几年前，我们在欧洲XFEL展示了太瓦级硬X射线阿秒脉冲。但产生强大脉冲只是第一步。对于实验而言，真正重要的是我们能向样品输送什么。借助这一进展，我们现在可以利用阿秒X射线探索X射线与物质之间的高度非线性相互作用，”研究人员之一闫家伟说。
铜原子帮助验证创纪录强度
为了独立检验强度，团队将X射线脉冲导向一片铜箔，并检查其原子发出的光。
入射X射线将电子从铜原子深层内壳中击出，留下空位或空穴。随后，外壳层电子落入这些空位，并以X射线的形式释放能量。
在足够强的照射下，这种发射可以刺激其他激发态铜原子沿同一方向释放X射线。由此产生的放大效应会形成更强、更集中的信号。这一过程称为放大自发辐射（ASE），与使X射线激光成为可能的发射过程相关。
“看到这种情况发生几乎像魔法一样。普通荧光会向各个方向传播，与入射光束方向无关。但当跨越ASE阈值时，你会看到光锥开始向前方方向汇聚，”Anders Madsen说。他没有直接参与这项研究，但他是开展该实验设施的项目负责人。
起初，随着研究人员提高脉冲能量，ASE信号迅速增强。然而在更高能量下，信号开始趋于平稳，这种行为称为饱和。
这一响应与根据脉冲能量、持续时间和聚焦光斑尺寸估算出的极高强度相一致，为计算提供了独立验证。
下一步：捕捉电子运动
这一成果可帮助研究人员研究电子在原子和分子中的行为，包括物质如何响应强X射线照射。从更长远看，这些研究可能有助于在化学反应过程中控制电子的努力。
研究人员已经在探索捕捉此类快速变化的方法，包括在化学反应过程中对电子和原子成像的实验。不过，这项实验展示的是强X射线脉冲的产生和验证，而不是对反应过程中电子的直接控制。
目前，研究人员使用的是从日本运来的AKB反射镜系统。欧洲XFEL预计将于2027年初收到自己的系统。一旦安装并测试完成，该系统计划通过该设施的MID仪器，让全球研究人员能够使用这些短而强的X射线闪。
该研究发表在《Optica》期刊上。
如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
