實驗室生成最短硬X射線激光脈衝

科技日報北京6月12日電 （記者張佳欣）據11日發表在《自然》雜誌上的一項新研究，由美國威斯康星大學麥迪遜分校領銜的國際合作團隊首次在硬X射線領域發現了強激光現象，並生成了迄今最短的硬X射線脈衝。這一突破有望推動量子X射線光學的發展，甚至用於觀察分子內部電子的運動。

此次，團隊在內殼層X射線中觀察到了強激光現象，並對其演化過程進行了模擬和計算。結果顯示，產生的X射線脈衝可以短於100阿秒（1阿秒為千億億分之一秒）。如此短的時間尺度，為研究電子在原子軌道中的運動提供了可能。

在實驗中，團隊使用X射線自由電子激光（XFEL）產生的X射線脈衝，照射到銅或錳製成的樣品上。XFEL本身的輸出“脈衝”並不純淨，包含多個時間尖峯和波長，但其強度極高且持續時間極短，相當於將照射地球的所有陽光聚焦在1平方毫米上。

這些X射線脈衝激發樣品中原子的內殼層電子，使其進入激發態。隨後，激發態電子通過受激輻射釋放出X射線光子，這些光子有時還會激發其他原子發射相同波長的光子，形成定向輻射輸出。研究人員通過探測器測得了這種受激輻射信號，證實發生了激光現象。

他們還觀察到，儘管光譜結構符合預期，空間分佈上卻出現了少量“熱點”，而非均勻分佈。通過三維模擬還原，研究人員證實，發射的X射線在樣品中傳播時發生了一種被稱為“光絲化”的過程。這一現象通常由極強電磁場引起的折射率變化所致。

當輸入脈衝強度進一步提高時，團隊還發現了光譜拓寬和多條譜線。模擬結果顯示，這是另一種激光行為“拉比循環”的結果，即原子週期性地吸收和受激發射光子。通過模擬，他們計算出了最終發射脈衝的時間結構，發現這些“不純淨”的輸入脈衝竟能觸發60—100阿秒的超短激光輸出，成為迄今為止世界上觀測到的最短硬X射線脈衝。

科學家仍在不斷探索XFEL技術潛能，此前已有研究嘗試“淨化”硬X射線脈衝，但這是首次實現阿秒時間尺度的發射脈衝，並首次捕捉到強激光現象的證據。