美國能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家，發(fā)明了一種能觀察電子運動的方法，其強大的X射線激光爆發(fā)只有280阿秒。

這項名為X射線激光增強阿秒脈沖產(chǎn)生（XLEAP）的技術，是科學家們多年來一直在努力的一大進步，它為突破性研究分子周圍的電子如何引發(fā)生物學、化學、材料科學等領域的關鍵過程鋪平了道路，其研究成果現(xiàn)發(fā)表在《自然光子學》期刊上。研究的主要作者之一，斯坦福脈沖研究所研究員，SLAC科學家James Cryan表示：

到目前為止，我們可以精確地觀察原子的運動，但實際上驅動化學反應更快的電子運動被模糊了。同時斯坦福脈沖研究所是SLAC和斯坦福大學的聯(lián)合研究所，有了這一進步，將能夠使用X射線激光來觀察電子是如何移動的，以及這是如何為隨后的化學奠定基礎，這推動了超快科學的前沿。對這些時間尺度的研究可以揭示，例如光合作用過程中光的吸收幾乎是如何瞬間推動電子，并引發(fā)一系列速度更慢的事件，最終產(chǎn)生氧氣。

超快X射線科學的飛躍

研究的主要作者之一，XLEAP項目的負責人，SLAC科學家Agostino Marinelli表示：有了X射線激光增強阿秒脈沖產(chǎn)生，就可以創(chuàng)造出能量恰到好處的X射線脈沖，比之前類似能量的阿秒脈沖亮100萬倍以上。它將讓科學家做很多人們一直想用X射線激光做的事情，現(xiàn)在也是在阿秒時間尺度上。一阿秒是一段令人難以置信的短時間：兩阿秒對于一秒就像一秒對于宇宙的年齡一樣。近年來，科學家在創(chuàng)造阿秒X射線脈沖方面取得了很大進展。

然而，這些脈沖要么是太弱，要么是它們沒有合適能量來控制快速的電子運動。在過去的三年里，Marinelli和同事們一直在研究如何使用14年前提出的X射線激光方法，用來產(chǎn)生具有正確性質的脈沖——這一努力最終促使了X射線激光增強阿秒脈沖產(chǎn)生（XLEAP）技術的誕生。在科學家們開始對SLAC直線加速器相干光源(LCLS)X射線激光器進行重大升級之前進行的實驗中，XLEAP團隊證明了可以產(chǎn)生精確計時的阿秒X射線脈沖對，這些脈沖可以啟動電子并記錄這些運動。

這些快照可以串連在一起，成為定格動作電影，美國能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學X射線科學專家琳達·楊(Linda Young)表示：X射線激光增強阿秒脈沖產(chǎn)生確實是一個巨大的進步，其阿秒X射線脈沖具有前所未有的強度和靈活性，是觀察和控制復雜系統(tǒng)中單個原子位置電子運動的突破性工具。像LCLS這樣的X射線激光通常會產(chǎn)生持續(xù)十億分之一秒（即飛秒）的閃光。這個過程首先產(chǎn)生一束電子束，這些電子束被捆綁成短束，并通過線性粒子加速器發(fā)送，在那里它們獲得能量。

阿秒X射線激光脈沖

它們以接近光速的速度行進，通過一種稱為波蕩器的磁鐵，在那里一些能量被轉換成X射線爆發(fā)。電子束越短越亮，它們產(chǎn)生的X射線爆發(fā)就越短，因此制作阿秒X射線脈沖的一種方法是將電子壓縮成越來越小，具有高峰值亮度的束，X射線激光增強阿秒脈沖產(chǎn)生就是這樣一種聰明的方法。在LCLS，研究小組在波蕩器前插入了兩組磁鐵，使他們能夠將每個電子束塑造成所需的形狀：一個包含具有廣泛能量范圍的電子的密集、窄的尖峰。

SLAC科學家、論文共同第一作者約瑟夫·杜里斯(Joseph Duris)說：當將這些脈沖長度約為一飛秒的尖峰發(fā)射通過波蕩器時，產(chǎn)生的X射線脈沖要比這個短得多。這些脈沖也非常強大，其中一些達到了半太瓦的峰值功率。為了測量這些令人難以置信的短X射線脈沖，科學家們設計了一種特殊裝置，其中X射線穿透氣體并剝離其中的一些電子，形成電子云。來自紅外激光的圓偏振光與云相互作用，給電子一個踢。由于光的特殊極化，一些電子最終比其他電子移動得更快。

第一作者、斯坦福大學(Stanford)最近的博士李思琪(Siqi Li)說：這項技術工作原理類似于LCLS實施的另一個想法，它將時間映射到像時鐘臂這樣的角度上。它能測量電子速度和方向的分布，由此可以計算出X射線脈沖長度。接下來，XLEAP團隊將進一步優(yōu)化該方法，這可能促使更強烈和可能更短的脈沖誕生。同時還在為LCLS-II做準備，LCLS-II是LCLS的升級，它將每秒發(fā)射高達100萬個X射線脈沖——比以前快8000倍。這將能讓研究人員進行長期夢想的實驗，例如研究單個分子及其在自然界最快時間尺度上的行為。

博科園｜研究/來自：SLAC國家加速器實驗室

參考期刊《自然光子學》

DOI: 10.1038/s41566-019-0549-5

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