近日，據(jù)《自然·光子學(xué)》報(bào)道，歐洲X射線自由電子激光裝置(XFEL)和德國(guó)電子同步加速器研究中心團(tuán)隊(duì)在X射線科學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破。他們成功生成了前所未有的高功率、阿秒級(jí)硬X射線脈沖，且重復(fù)頻率達(dá)到了兆赫茲級(jí)別，為超快電子動(dòng)力學(xué)研究開(kāi)辟了新領(lǐng)域。

此次團(tuán)隊(duì)展示了單尖峰硬X射線脈沖，其脈沖能量超過(guò)100微焦耳，脈沖持續(xù)時(shí)間僅為幾百阿秒(1阿秒=10-18秒)。這一時(shí)間尺度使科學(xué)家能夠捕捉到物質(zhì)中最快的電子運(yùn)動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)表示，這些高功率阿秒X射線脈沖可能為原子尺度物質(zhì)的研究開(kāi)辟新途徑。科學(xué)家可以對(duì)結(jié)構(gòu)和電子特性進(jìn)行真正的無(wú)損測(cè)量。這也為阿秒晶體學(xué)等高級(jí)研究鋪平了道路，使科學(xué)家能夠觀察真實(shí)空間中的電子動(dòng)力學(xué)。

借助特殊光束光學(xué)系統(tǒng)，歐洲X射線自由電子激光裝置的相對(duì)論電子(藍(lán)色云)被強(qiáng)烈壓縮(中間的亮線)。這導(dǎo)致在阿秒時(shí)間尺度上產(chǎn)生非常明亮、高功率的 X 射線脈沖。

傳統(tǒng)方法生成這種超短硬X射線脈沖需要將電子束電荷大幅降低至幾十皮庫(kù)侖，這限制了脈沖能量和實(shí)際應(yīng)用。鑒于此，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種自啁啾方法。利用XFEL的電子束集體效應(yīng)和專用束流傳輸系統(tǒng)，這種方法能夠在不減少電子束電荷的情況下，產(chǎn)生太瓦級(jí)峰值功率和兆赫茲重復(fù)頻率的阿秒X射線脈沖。

通過(guò)將超短脈沖與兆赫茲重復(fù)頻率相結(jié)合，人們現(xiàn)在可以更快地收集數(shù)據(jù)，并觀察到以前無(wú)法觀察到的過(guò)程。這一進(jìn)展有望改變多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的研究，尤其是蛋白質(zhì)分子和材料的原子尺度成像，以及非線性X射線現(xiàn)象的研究。

審核編輯 黃宇