科学家们创造了具有百万赫兹重复率的高功率阿秒硬X射线脉冲

科学家们创造了具有百万赫兹重复率的高功率阿秒硬 X 射线脉冲，实现了超快电子动力学研究和原子级非破坏性测量，从而在 X 射线科学领域取得了重大进展。这些脉冲具有捕捉快速电子运动的能力，因而意义重大，有望应用于阿秒晶体学，并对各个科学学科产生变革性影响。

欧洲 XFEL 和 DESY 的科学家以百万赫兹的重复率产生高功率阿秒 X 射线脉冲。 在特殊光束光学技术的帮助下，相对论电子（蓝云）被强烈压缩（中心亮线）。 这就产生了一个非常明亮、高功率的阿秒级 X 射线脉冲。 资料来源：欧洲 XFEL；插图： Tobias Wüstefeld

X 射线脉冲技术的突破

欧洲 XFEL 和DESY的一个研究小组创造了具有百万赫兹重复率的高功率阿秒硬 X 射线脉冲，从而在 X 射线科学领域取得了突破性进展。 这一成果为研究超快电子动力学和进行非破坏性原子尺度测量提供了新的可能性。 研究人员于11月25日在Nature Photonics上发表了他们的研究成果。

研究人员成功产生了单尖峰硬 X 射线脉冲，其能量水平超过 100 微焦耳，脉冲持续时间仅为几百阿秒。 为便于理解，阿秒是一秒的五十亿分之一--如此短的时间尺度使科学家能够观察到物质中最快的电子运动。

原子级研究的新机遇

欧洲 XFEL 物理学家、发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上的研究报告的第一作者严嘉伟说："这些高功率阿秒 X 射线脉冲可以为原子尺度的物质研究开辟新的途径。利用这些独特的 X 射线，我们可以对结构和电子特性进行真正无损的测量。 这为阿秒晶体学等高级研究铺平了道路，使我们能够在真实空间中观察电子动态。"

产生这种超短硬 X 射线脉冲的传统方法需要将电子束电荷大幅降低到数十皮库仑，这限制了脉冲能量和实际用途。 研究小组开发了一种自啁啾方法，利用电子束的集体效应和欧洲 XFEL 的专门束流传输系统。 这种方法能够在不降低电子束电荷的情况下，以太瓦级的峰值功率和百万赫兹的重复率产生阿秒级的X射线脉冲。

科学研究的变革潜力

欧洲 XFEL 的 FEL 物理小组组长 Gianluca Geloni 说："通过将超短脉冲与百万赫兹重复率相结合，我们现在可以更快地收集数据，并观察到以前无法看到的过程。这一发展有望改变多个科学领域的研究，特别是蛋白质分子和材料的原子级成像以及非线性 X 射线现象的研究。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41566-024-01566-0.