世界最强X射线激光使氪产生双核心空穴，吸光能力提升百倍

科学家以每秒5000次超快X射线闪光创造出双激发原子态。

欧洲XFEL的研究人员在实现光电离效率百倍提升后，在理解光如何在量子层面与物质相互作用方面取得了重大进展。该团队利用全球最强大的X射线激光，成功在高度电离的氪中创造并研究了一种罕见的双核心空穴态，即两个内层电子同时被激发。

当电子吸收能量并跃迁至更高、更不稳定的能级时，便进入所谓的"激发态"。其原始的"基态"是电子在原子中所能占据的最低且最稳定的能级。
团队认为，这些发现有望促成新的精密实验，从而重塑我们对原子和分子在极端条件下行为的理解。

新的原子突破

当一个X射线光子激发一个原子或离子，并使一个核心电子跃迁到更高能级时，会打开一个短暂的时间窗口，使得第二个光子能在空位被填充前被另一个核心电子吸收。

这个短暂的间隔仅持续几飞秒（大约一千万亿分之一秒），并可能导致形成罕见的双激发态。

为了研究高度电离的氪气（地球大气中微量存在的无色无味气体）中的这种双核心空穴态，欧洲XFEL的研究人员使用了每秒5000次的强X射线闪光。

在此项目中，欧洲XFEL团队与马克斯·普朗克核物理研究所的专家合作。来自德国、意大利、葡萄牙和美国的其他六家机构也参与了这项研究。

科学家们使用高度带电的氪（Kr26+），这是该元素的一种极端形态，其电子被剥离至仅剩10个。通过这种简化，他们能够更清晰地追踪相互作用。

"这使我们能够清晰地了解整个过程，消除了其他电子带来的不必要影响，"该项工作的实施地——SQS科学仪器的运营负责人托马斯·鲍曼透露。

双核心空穴的洞见

使用这些氪离子被证明是有益的，因为激发两个核心电子的两个步骤所需的光子能量几乎相同。这意味着团队可以使用带宽仅为0.5%的单色X射线束来启动这两个跃迁。

"这种共振能量的重叠源于相对论效应，"该研究的第一作者、MPIK博士后研究员莫托·托格瓦博士强调，"这些效应导致核心电子能级发生位移，从而实现了完美的双共振。"

双激发态在几飞秒后通过电子发射发生衰变，产生更高的电荷态。与简单的光电离相比，这种双共振路径吸收的光子数量超过100倍，并带来了更高的整体效率。

"这种效应不仅加深了我们对光与物质在极端条件下如何相互作用的理解，而且为高精度X射线测量开辟了新的可能性，"MPIK小组负责人何塞·克雷斯波·洛佩斯-乌鲁蒂亚博士在一份新闻稿中表示。

据团队称，这些结果可作为一种有效的激发方法，用于未来的时间分辨实验，特别是在使用欧洲XFEL的SASE3波荡器的双色模式时。

他们还相信，这种方法可以扩展到硬X射线实验，这些实验将使用在该设施正在开发的X射线自由电子激光振荡器。

该研究已发表在《物理评论快报》期刊上。

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