SLAC研究团队创造有史以来最短高能X射线脉冲，时间少于400飞秒

SLAC的Linac Coherent Light Source (LCLS)研究人员生成并测量了在X射线自由电子激光(XFEL)中记录到的最短高能量（“硬”）X射线脉冲。该研究确认了在高光子能量（约9 keV）下，脉冲持续时间介于100到400阿秒之间。这些“硬”X射线闪光根本改变了我们观察和控制量子物质的方式。科学家们已经在利用这些超短脉冲捕捉原子内部和密集等离子体中电子的实时运动。

这些超短脉冲使科学家能够观察完美的结构，超越了由X射线本身造成的辐射损伤。“这对希望在LCLS使用阿秒硬X射线的研究人员来说是一个重要的里程碑，”东京大学教授井上伊知郎表示。

阿秒脉冲的制作与测量

制作阿秒脉冲极其困难，测量一个脉冲则更加艰难。“在几年中，我们学会了如何创建这些高能量的阿秒脉冲，但测量这么短的脉冲真的非常困难。这是第一个证明脉冲确实只有几百阿秒长的诊断工具，”研究作者、SLAC教授Agostino Marinelli解释道。解决方案来自首席作者井上，他提出了一种使用放大自发发射（ASE）的间接测量技术。ASE基本上是分裂X射线束以直接测量其能量光谱，同时将剩余的光聚焦到铜箔上以产生前向荧光。

研究人员通过发射高能束并将其分成两条路径来测试SLAC的Linac Coherent Light Source。一部分直接到达记录能量光谱的检测器，而剩余的光则集中在铜箔上的150纳米点上以产生荧光辐射。结合来自两个检测器的测量使团队能够计算脉冲的精确、瞬时持续时间。这种技术将阿秒科学扩展到约9千电子伏特的光子能量范围，这是一个超越早期在5千电子伏特以下运行的软X射线实验的数量级飞跃。

为何这些超短硬X射线如此重要？深度和速度。低能量的软X射线适合观察原子外壳中的化学键。高能量的硬X射线（高于5千电子伏特）能深入密集物质，让科学家能以原子精度确定电子位置。“等离子体物理学是非常混乱的。通常，我们激发样本，然后系统在我们能提取测量之前会放松并重组。我们经常被迫依赖建模，并对实际发生的情况做出假设，”牛津大学的物理学家Sam Vinko表示。

阿秒硬X射线的应用

科学家们现在可以针对极端系统，例如惯性核聚变能量实验中的系统，并捕捉在模糊或演变之前的冷冻核心激发态。X射线通常会破坏它们扫描的精细样本，但阿秒硬X射线防止这种破坏，因为它们速度极快。由于闪光在损坏或衰变发生之前就结束，因此研究人员可以拍摄系统未受损状态的快照。汉堡大学的Tais Gorkhover认为，这种能力不仅将改善纳米尺度成像，还可能帮助完全控制甚至逆转光与物质的相互作用。

SLAC最新的里程碑为量子动力学开启了一个新时代，给研究人员提供了一个比原子衰变更快的相机快门。

阿秒硬X射线对量子研究的影响

阿秒硬X射线的发展标志着量子动力学研究的一次重大进步，因为它们能在不损坏样本的情况下捕捉瞬时现象。这使得科学家能够更精确地观察和控制量子系统，尤其是在涉及高能量和密集物质的情况下。随着技术的进步，未来的研究将能够深入探索原子和分子层级的动态行为，这对于材料科学和能源研究等领域都具有重要意义。