- SLAC 研究團隊生成了最短高能 X 射線脈衝，持續時間介於 100 到 400 阿秒之間。
- 超短脈衝能觀察完美結構，減少輻射損傷，對研究者來說是重要里程碑。
- 新技術擴展阿秒科學至約 9 千電子伏特的光子能量範圍。
- 阿秒硬 X 射線能捕捉未受損狀態的快照，改善納米尺度成像。
SLAC 的 Linac Coherent Light Source (LCLS) 研究人員生成並測量了在 X 射線自由電子鐳射 (XFEL) 中記錄到的最短高能量（“硬”）X 射線脈衝。該研究確認了在高光子能量（約 9 keV）下，脈衝持續時間介於 100 到 400 阿秒之間。這些“硬” X 射線閃光根本改變了我們觀察和控制量子物質的方式。科學家們已經在利用這些超短脈衝捕捉原子內部和密集等離子體中電子的實時運動。
這些超短脈衝使科學家能夠觀察完美的結構，超越了由 X 射線本身造成的輻射損傷。“這對希望在 LCLS 使用阿秒硬 X 射線的研究人員來說是一個重要的里程碑，”東京大學教授井上伊知郎表示。
阿秒脈衝的製作與測量
製作阿秒脈衝極其困難，測量一個脈衝則更加艱難。“在幾年中，我們學會瞭如何創建這些高能量的阿秒脈衝，但測量這麼短的脈衝真的非常困難。這是第一個證明脈衝確實只有幾百阿秒長的診斷工具，”研究作者、SLAC 教授 Agostino Marinelli 解釋道。解決方案來自首席作者井上，他提出了一種使用放大自發發射（ASE）的間接測量技術。ASE 基本上是分裂 X 射線束以直接測量其能量光譜，同時將剩餘的光聚焦到銅箔上以產生前向螢光。
研究人員通過發射高能束並將其分成兩條路徑來測試 SLAC 的 Linac Coherent Light Source。一部分直接到達記錄能量光譜的檢測器，而剩餘的光則集中在銅箔上的 150 納米點上以產生螢光輻射。結合來自兩個檢測器的測量使團隊能夠計算脈衝的精確、瞬時持續時間。這種技術將阿秒科學擴展到約 9 千電子伏特的光子能量範圍，這是一個超越早期在 5 千電子伏特以下運行的軟 X 射線實驗的數量級飛躍。
為何這些超短硬 X 射線如此重要？深度和速度。低能量的軟 X 射線適合觀察原子外殼中的化學鍵。高能量的硬 X 射線（高於 5 千電子伏特）能深入密集物質，讓科學家能以原子精度確定電子位置。“等離子體物理學是非常混亂的。通常，我們激發樣本，然後系統在我們能提取測量之前會放鬆並重組。我們經常被迫依賴建模，並對實際發生的情況做出假設，”牛津大學的物理學家 Sam Vinko 表示。
阿秒硬 X 射線的應用
科學家們現在可以針對極端系統，例如慣性核聚變能量實驗中的系統，並捕捉在模糊或演變之前的冷凍核心激發態。X 射線通常會破壞它們掃描的精細樣本，但阿秒硬 X 射線防止這種破壞，因為它們速度極快。由於閃光在損壞或衰變發生之前就結束，因此研究人員可以拍攝系統未受損狀態的快照。漢堡大學的 Tais Gorkhover 認為，這種能力不僅將改善納米尺度成像，還可能幫助完全控制甚至逆轉光與物質的相互作用。
SLAC 最新的里程碑為量子動力學開啟了一個新時代，給研究人員提供了一個比原子衰變更快的相機快門。
阿秒硬 X 射線對量子研究的影響
阿秒硬 X 射線的發展標誌著量子動力學研究的一次重大進步，因為它們能在不損壞樣本的情況下捕捉瞬時現象。這使得科學家能夠更精確地觀察和控制量子系統，尤其是在涉及高能量和密集物質的情況下。隨著技術的進步，未來的研究將能夠深入探索原子和分子層級的動態行為，這對於材料科學和能源研究等領域都具有重要意義。