歐洲 XFEL 和 DESY 的科學(xué)家以兆赫茲重復(fù)率產(chǎn)生高功率阿秒 X 射線脈沖。借助特殊光束光學(xué)器件，相對(duì)論電子(藍(lán)色云)被強(qiáng)烈壓縮(中間的亮線)。這導(dǎo)致在阿秒時(shí)間尺度上產(chǎn)生非常明亮的高功率 X 射線脈沖。圖片來源：歐洲 XFEL;插圖：Tobias Wüstefeld

科學(xué)家通過創(chuàng)建具有兆赫重復(fù)率的高功率阿秒硬X射線脈沖，在X射線科學(xué)方面取得了重大進(jìn)展，從而可以進(jìn)行超快電子動(dòng)力學(xué)研究和原子級(jí)無損測(cè)量。

這些脈沖具有重要意義，因?yàn)樗鼈兡軌虿蹲娇焖俚碾娮舆\(yùn)動(dòng)，從而為阿秒晶體學(xué)帶來潛在應(yīng)用，并對(duì)各個(gè)科學(xué)學(xué)科產(chǎn)生變革性影響。

X射線脈沖技術(shù)的突破

歐洲 XFEL 和DESY的研究人員團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)建具有兆赫重復(fù)率的高功率阿秒硬 X 射線脈沖，在 X 射線科學(xué)方面取得了突破性進(jìn)展。這一成就為研究超快電子動(dòng)力學(xué)和進(jìn)行非破壞性原子級(jí)測(cè)量開辟了新的可能性。研究人員于 11 月 25 日在《自然光子學(xué)》上發(fā)表了他們的研究成果。

研究人員成功生成了能量超過 100 微焦耳、脈沖持續(xù)時(shí)間僅為幾百阿秒的單尖峰硬 X 射線脈沖。1 阿秒是 100 億分之一秒，這個(gè)時(shí)間尺度如此之短，以至于科學(xué)家能夠觀察到物質(zhì)中最快的電子運(yùn)動(dòng)。

原子級(jí)研究的新機(jī)遇

“這些高功率阿秒 X 射線脈沖可能為研究原子尺度的物質(zhì)開辟新途徑，”歐洲 XFEL 物理學(xué)家、《自然光子學(xué)》雜志上發(fā)表的研究報(bào)告的主要作者嚴(yán)家偉說。“利用這些獨(dú)特的 X 射線，我們可以對(duì)結(jié)構(gòu)和電子特性進(jìn)行真正無損的測(cè)量。這為阿秒晶體學(xué)等高級(jí)研究鋪平了道路，使我們能夠觀察真實(shí)空間中的電子動(dòng)力學(xué)。”

產(chǎn)生這種超短硬 X 射線脈沖的傳統(tǒng)方法需要將電子束電荷大幅降低至數(shù)十皮庫侖，這限制了脈沖能量和實(shí)際用途。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種自啁啾方法，利用歐洲 XFEL 的電子束和專門的光束傳輸系統(tǒng)的集體效應(yīng)。這種方法能夠在不降低電子束電荷的情況下產(chǎn)生峰值功率為太瓦級(jí)、重復(fù)頻率為兆赫茲的阿秒 X 射線脈沖。

科學(xué)研究的變革潛力

“通過將超短脈沖與兆赫重復(fù)率相結(jié)合，我們現(xiàn)在可以更快地收集數(shù)據(jù)并觀察以前無法觀察到的過程，”歐洲 XFEL 的 FEL 物理小組組長(zhǎng) Gianluca Geloni 表示。“這一進(jìn)展有望改變多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的研究，尤其是蛋白質(zhì)分子和材料的原子級(jí)成像以及非線性 X 射線現(xiàn)象的研究。”