比眨眼快亿亿倍！德国装置把超强X射线捏进比发丝小十万倍的光点

想象一下，把一道闪光压缩到短得不可思议的一瞬，再把它的全部能量塞进一个比头发丝截面小十万倍的光点里。

这不是科幻小说的情节，而是德国欧洲X射线自由电子激光装置刚刚完成的一项世界纪录。

一支国际团队在这里产生了持续时间约300阿秒的硬X射线脉冲，并将其聚焦到极其微小的区域。这一成果创下了硬X射线阿秒脉冲强度和能流密度的新纪录。

相关论文已发表在美国光学学会旗下期刊《光学》上。这项成果可以概括为一句话：科学家不仅造出了更“锋利”的X射线，还把它精准地送到了目标上。

实验于2026年4月完成。团队希望借助这项技术，最终能够观察甚至操控化学反应中电子的运动。

从“拍到电子”到“按住电子”

阿秒究竟有多短？

一阿秒等于十亿分之一秒的十亿分之一。用它去衡量一秒钟，就好比用一秒钟去丈量宇宙的年龄。

阿秒科学已是物理学最炙手可热的前沿之一，2023年诺贝尔物理学奖就授予了三位阿秒光脉冲领域的开创者。

在这样的时间尺度上，原子里的电子几乎来不及挪动位置，因此阿秒脉冲被视为拍摄电子运动的“超高速快门”。这一次，团队测得的聚焦光斑只有180纳米乘330纳米，峰值强度超过每平方厘米10的20次方瓦。

这里有两个概念需要区分。能流密度指单位面积上接收的能量，强度则还要考虑这些能量送达的速度有多快。

打个比方，能流密度像是一桶水泼在多大面积上，强度则还要看这桶水是在多短时间里泼出去的。

论文第一作者、日本东京大学的井上伊知郎表示，这是硬X射线阿秒脉冲在强度和能流密度上的世界纪录。

在此之前，阿秒脉冲大多集中在能量较低的极紫外波段，难以深入探测原子内层电子。

德国电子同步加速器研究所的严佳伟是论文通讯作者之一。他回顾说，团队几年前已实现太瓦级的硬X射线阿秒脉冲，下一步的关键就是把这股能量送到样品上。

四次反射，把光“捏”成一个点

把如此强大的X射线聚焦起来，难度丝毫不亚于产生它。X射线几乎能穿透一切，很难像可见光那样用透镜汇聚，只能依靠以极小角度掠射的镜面让它一点点“拐弯”。

团队使用的是一套先进的柯克帕特里克-贝兹聚焦系统，由两面超高精度的反射镜组成。

每个脉冲要在镜面上反射四次，一面镜子负责竖直方向的聚焦，另一面负责水平方向。这就像两只手一前一后，把光束捏成一个小点。

这套聚焦系统是专门从日本运到德国的，可谓跨国协作的缩影。镜面的平整度要求达到纳米级，任何细微的起伏，都会让光斑变得模糊。

为了验证这一强度并非纸面推算，研究人员把聚焦后的脉冲打向一片薄薄的铜箔。

X射线会把铜原子最内层的电子撞出去，留下一个个空位，也就是“空穴”。外层电子随后跌落进这些空穴，并发出X射线荧光。

当强度足够高时，奇妙的现象出现了：这些荧光会激发其他处于激发态的铜原子，朝同一方向释放X射线，形成被放大的光束。

这种现象叫作“放大自发辐射”。它好比一个人在山谷里喊了一嗓子，引得众人齐声附和，而且全都朝着同一个方向。

研究人员还观察到“饱和”效应：随着脉冲能量增加，放大信号的增长先是放缓，随后趋于平稳。

这种规律只有在极高强度照射下才会出现，从而印证了根据脉冲能量、持续时间和光斑大小计算出的强度数值。

欧洲X射线自由电子激光装置MID实验站负责人安德斯·马德森形容，亲眼看到这一效应非常震撼。普通荧光向四面八方散开，而一旦越过阈值，光锥就开始向前方收拢。

为化学反应装上“遥控器”

这项纪录的意义，远不止于数字上的突破。

传统X射线成像有个难题：光照太强，样品还没“拍完”就已被打坏。

超短而超强的脉冲，可以在X射线明显扰动样品之前，就把电子的信息“抢拍”下来，让科学家更清晰地看到原子和分子中电子的行为。

而电子正是化学键形成与断裂的主角。看清电子，是理解化学反应的第一步。

如果有朝一日能够在反应过程中影响电子的运动，人类或许就能更精准地“指挥”化学反应，为新材料和新药物的研发打开新思路。

此外，如此极端的强度还可能揭示物质在强光照射下的非线性响应。这些现象在较弱的X射线下根本无从观察。

这类非线性X射线现象，是检验原子物理理论、开发新型X射线激光的重要窗口。

这项研究汇聚了日本、德国、美国等多个国家多家机构的科学家。

欧洲X射线自由电子激光装置位于德国汉堡附近，是世界上最大的X射线激光装置之一，主体是一条长约3.4公里的隧道。

在后续计划中，欧洲X射线自由电子激光装置正在筹备引进属于自己的同类聚焦系统，预计将于2027年初交付。

这一项目由该装置与德国汉堡大学合作推进，并获得德国联邦研究、技术与航天部的资助。

系统安装调试完成后，来自世界各地的MID实验站用户都将有机会使用这种超强阿秒脉冲。

一束比眨眼还快亿亿倍的光，也许正在为未来的化学和材料科学按下快门。