科學家創新集中超短 X 射線脈衝，達成空前強度紀錄

電子在原子和分子內部的運動速度極快，研究其行為需要持續時間僅為十億分之一的十億分之一秒的光閃。現在，科學家們找到了一種方法，可以將這些超短的 X 射線閃光集中在一個微小的點上，使其在擊中樣本時更具能量。在歐洲 X 射線自由電子鐳射（European XFEL）的實驗中，研究人員達到了硬 X 射線阿秒脈衝的強度和通量新紀錄。其峯值強度超過 10²⁰ 瓦特每平方釐米。

東京大學的首席研究員井上一郎表示：「這是硬 X 射線阿秒脈衝在強度和通量方面的世界紀錄。」這一進展可能幫助科學家研究電子如何對強光做出反應，最終探討在化學反應過程中控制它們的方式。

利用先進光學系統聚焦 X 射線

實驗於 2026 年 4 月進行，使用了持續時間約 300 阿秒的 X 射線閃光。阿秒是十億分之一的十億分之一秒，這使得這些脈衝可用於研究涉及電子的某些最快過程。研究人員將脈衝引導通過一個先進的 Kirkpatrick–Baez（AKB）光學系統，該系統由兩個精密鏡子組成。每個閃光在鏡子上反射四次。一面鏡子將 X 射線垂直聚焦，而另一面則將其水平聚焦，將光束集中在僅 180 × 330 奈米的區域。

簡而言之，研究人員以某種方式將 X 射線聚焦到一個約為典型人類頭髮橫截面 100,000 倍小的區域。這一成就建立在歐洲 XFEL 的早期研究基礎上，研究人員在那裡展示了千瓦級的硬 X 射線阿秒脈衝。然而，產生強大脈衝僅僅是問題的一部分。能量必須以足夠集中的形式到達樣本，以產生所需的效果，這也是其他用於研究微小尺度物質的 X 射線鐳射技術所面臨的挑戰。

研究人員之一顏嘉偉表示：「幾年前，我們在歐洲 XFEL 展示了千瓦級的硬 X 射線阿秒脈衝。但產生強大脈衝僅僅是第一步。對於實驗而言，真正重要的是我們能夠交付給樣本的結果。隨著這一進展，我們現在可以利用阿秒 X 射線探索 X 射線和物質之間的高度非線性相互作用。」

為了獨立檢查強度，研究團隊將 X 射線脈衝指向一塊銅箔，並檢查其原子的發射光。入射的 X 射線將電子擊出銅原子深層內殼，留下空位或孔。來自外殼的電子隨後進入這些空位，釋放能量以 X 射線的形式發射。在足夠強的照明下，這種發射能刺激其他激發的銅原子釋放朝同一方向行進的 X 射線。由此產生的放大效應會產生更強、更集中的信號。這一過程稱為放大自發發射（ASE），這是與 X 射線鐳射可行的發射過程相關的現象。

該實驗的項目負責人安德斯·馬德森表示：「看到這一過程幾乎是神奇的。正常的螢光會在各個方向發散，而不管入射光束的方向。但當 ASE 閾值被突破時，您會看到光束開始向前集中。」

最初，隨著研究人員增加脈衝能量，ASE 信號迅速增長。然而，在更高的能量下，信號開始趨於平穩，這種行為被稱為飽和。這一反應與根據脈衝能量、持續時間和聚焦點大小估算出的極高強度一致，為計算提供了獨立的檢查。

強 X 射線脈衝的潛在應用

這一成就可能幫助研究人員研究電子在原子和分子中的行為，包括物質如何對強 X 射線照明做出反應。在更長期內，這些研究可能有助於控制化學反應過程中的電子。研究人員已經在探索捕捉這些快速變化的方法，包括在化學反應過程中成像電子和原子的實驗。然而，該實驗展示了強 X 射線脈衝的產生和驗證，而不是在反應過程中對電子的直接控制。目前，研究人員使用了一套從日本帶來的 AKB 鏡系統。

歐洲 XFEL 預計在 2027 年初獲得自己的系統。安裝和測試後，這套系統將使這些短而強的 X 射線閃光可供全球研究人員使用該設施的 MID 儀器。

這項技術對電子研究的影響

這項技術的突破在於能夠集中極短的 X 射線脈衝，這對於研究電子在原子和分子中的行為至關重要。隨著強度和通量的提升，科學家將能更深入地探討電子如何在強光照射下進行反應，並可能在未來實現對化學反應過程中電子的控制。這不僅能推動基礎科學的發展，也可能對材料科學和化學反應的應用帶來革命性影響。