科研团队在实验室生成最短硬X射线激光脉冲

近日，由美国威斯康星大学麦迪逊分校领衔的国际合作团队首次在硬X射线领域发现了强激光现象，并生成了迄今最短的硬X射线脉冲。这一突破有望推动量子X射线光学的发展，甚至用于观察分子内部电子的运动。相关研究成果发表在近期的《自然》杂志上。

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聚焦的X射线自由电子激光器（XFEL）脉冲被导向由铜或锰制成的样品。样品发射的任何X射线光子，如果与输入脉冲方向相同，都会撞击到一台仪器上，该仪器会根据波长散射光子，并根据散射角度进行反射。散射的X射线光子接下来会被探测器读取，并测量其特性。

此次，团队在内壳层X射线中观察到了强激光现象，并对其演化过程进行了模拟和计算。结果显示，产生的X射线脉冲可以短于100阿秒（1阿秒为千亿亿分之一秒）。如此短的时间尺度，为研究电子在原子轨道中的运动提供了可能。

在实验中，团队使用X射线自由电子激光（XFEL）产生的X射线脉冲，照射到铜或锰制成的样品上。XFEL本身的输出“脉冲”并不纯净，包含多个时间尖峰和波长，但其强度极高且持续时间极短，相当于将照射地球的所有阳光聚焦在1平方毫米上。

这些X射线脉冲激发样品中原子的内壳层电子，使其进入激发态。随后，激发态电子通过受激辐射释放出X射线光子，这些光子有时还会激发其他原子发射相同波长的光子，形成定向辐射输出。研究人员通过探测器测得了这种受激辐射信号，证实发生了激光现象。

他们还观察到，尽管光谱结构符合预期，空间分布上却出现了少量“热点”，而非均匀分布。通过三维模拟还原，研究人员证实，发射的X射线在样品中传播时发生了一种被称为“光丝化”的过程。这一现象通常由极强电磁场引起的折射率变化所致。

当输入脉冲强度进一步提高时，团队还发现了光谱拓宽和多条谱线。模拟结果显示，这是另一种激光行为“拉比循环”的结果，即原子周期性地吸收和受激发射光子。通过模拟，他们计算出了最终发射脉冲的时间结构，发现这些“不纯净”的输入脉冲竟能触发60~100阿秒的超短激光输出，成为迄今为止世界上观测到的最短硬X射线脉冲。

科学家仍在不断探索XFEL技术潜能，此前已有研究尝试“净化”硬X射线脉冲，但这是首次实现阿秒时间尺度的发射脉冲，并首次捕捉到强激光现象的证据。