- 科学家成功集中超短 X 射线脉冲，达成新强度纪录。
- 这一进展有助于研究电子对强光的反应。
- 研究人员利用先进光学系统聚焦 X 射线至微小区域。
- 强 X 射线脉冲可能改变对化学反应的研究方式。
电子在原子和分子内部的运动速度极快，研究其行为需要持续时间仅为十亿分之一的十亿分之一秒的光闪。现在，科学家们找到了一种方法，可以将这些超短的 X 射线闪光集中在一个微小的点上，使其在击中样本时更具能量。在欧洲 X 射线自由电子激光（European XFEL）的实验中，研究人员达到了硬 X 射线阿秒脉冲的强度和通量新纪录。其峰值强度超过 1020 瓦特每平方厘米。
东京大学的首席研究员井上一郎表示：“这是硬 X 射线阿秒脉冲在强度和通量方面的世界纪录。”这一进展可能帮助科学家研究电子如何对强光做出反应，最终探讨在化学反应过程中控制它们的方式。
利用先进光学系统聚焦 X 射线
实验于 2026 年 4 月进行，使用了持续时间约 300 阿秒的 X 射线闪光。阿秒是十亿分之一的十亿分之一秒，这使得这些脉冲可用于研究涉及电子的某些最快过程。研究人员将脉冲引导通过一个先进的 Kirkpatrick–Baez（AKB）光学系统，该系统由两个精密镜子组成。每个闪光在镜子上反射四次。一面镜子将 X 射线垂直聚焦，而另一面则将其水平聚焦，将光束集中在仅 180 × 330 纳米的区域。
简而言之，研究人员以某种方式将 X 射线聚焦到一个约为典型人类头发横截面 100,000 倍小的区域。这一成就建立在欧洲 XFEL 的早期研究基础上，研究人员在那展示了千瓦级的硬 X 射线阿秒脉冲。然而，产生强大脉冲仅仅是问题的一部分。能量必须以足够集中的形式到达样本，以产生所需的效果，这也是其他用于研究微小尺度物质的 X 射线激光技术所面临的挑战。
研究人员之一颜嘉伟表示：“几年前，我们在欧洲 XFEL 展示了千瓦级的硬 X 射线阿秒脉冲。但产生强大脉冲仅仅是第一步。对于实验而言，真正重要的是我们能够交付给样本的结果。随着这一进展，我们现在可以利用阿秒 X 射线探索 X 射线和物质之间的高度非线性相互作用。”
为了独立检查强度，研究团队将 X 射线脉冲指向一块铜箔，并检查其原子的发射光。入射的 X 射线将电子击出铜原子深层内壳，留下空位或孔。来自外壳的电子随后进入这些空位，释放能量以 X 射线的形式发射。在足够强的照明下，这种发射能刺激其他激发的铜原子释放朝同一方向行进的 X 射线。由此产生的放大效应会产生更强、更集中的信号。这一过程称为放大自发发射（ASE），这是与 X 射线激光可行的发射过程相关的现象。
该实验的项目负责人安德斯·马德森表示：“看到这一过程几乎是神奇的。正常的荧光会在各个方向发散，而不管入射光束的方向。但当 ASE 阈值被突破时，您会看到光束开始向前集中。”
最初，随着研究人员增加脉冲能量，ASE 信号迅速增长。然而，在更高的能量下，信号开始趋于平稳，这种行为被称为饱和。这一反应与根据脉冲能量、持续时间和聚焦点大小估算出的极高强度一致，为计算提供了独立的检查。
强 X 射线脉冲的潜在应用
这一成就可能帮助研究人员研究电子在原子和分子中的行为，包括物质如何对强 X 射线照明做出反应。在更长期内，这些研究可能有助于控制化学反应过程中的电子。研究人员已经在探索捕捉这些快速变化的方法，包括在化学反应过程中成像电子和原子的实验。然而，该实验展示了强 X 射线脉冲的产生和验证，而不是在反应过程中对电子的直接控制。目前，研究人员使用了一套从日本带来的 AKB 镜系统。
欧洲 XFEL 预计在 2027 年初获得自己的系统。安装和测试后，这套系统将使这些短而强的 X 射线闪光可供全球研究人员使用该设施的 MID 仪器。
这项技术对电子研究的影响
这项技术的突破在于能够集中极短的 X 射线脉冲，这对于研究电子在原子和分子中的行为至关重要。随着强度和通量的提升，科学家将能更深入地探讨电子如何在强光照射下进行反应，并可能在未来实现对化学反应过程中的电子的控制。这不仅能推动基础科学的发展，也可能对材料科学和化学反应的应用带来革命性影响。