近日，由美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校領(lǐng)銜的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)首次在硬X射線領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)激光現(xiàn)象，并生成了迄今最短的硬X射線脈沖。這一突破有望推動(dòng)量子X(jué)射線光學(xué)的發(fā)展，甚至用于觀察分子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)。相關(guān)研究成果發(fā)表在近期的《自然》雜志上。

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聚焦的X射線自由電子激光器（XFEL）脈沖被導(dǎo)向由銅或錳制成的樣品。樣品發(fā)射的任何X射線光子，如果與輸入脈沖方向相同，都會(huì)撞擊到一臺(tái)儀器上，該儀器會(huì)根據(jù)波長(zhǎng)散射光子，并根據(jù)散射角度進(jìn)行反射。散射的X射線光子接下來(lái)會(huì)被探測(cè)器讀取，并測(cè)量其特性。

此次，團(tuán)隊(duì)在內(nèi)殼層X(jué)射線中觀察到了強(qiáng)激光現(xiàn)象，并對(duì)其演化過(guò)程進(jìn)行了模擬和計(jì)算。結(jié)果顯示，產(chǎn)生的X射線脈沖可以短于100阿秒（1阿秒為千億億分之一秒）。如此短的時(shí)間尺度，為研究電子在原子軌道中的運(yùn)動(dòng)提供了可能。

在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)使用X射線自由電子激光（XFEL）產(chǎn)生的X射線脈沖，照射到銅或錳制成的樣品上。XFEL本身的輸出“脈沖”并不純凈，包含多個(gè)時(shí)間尖峰和波長(zhǎng)，但其強(qiáng)度極高且持續(xù)時(shí)間極短，相當(dāng)于將照射地球的所有陽(yáng)光聚焦在1平方毫米上。

這些X射線脈沖激發(fā)樣品中原子的內(nèi)殼層電子，使其進(jìn)入激發(fā)態(tài)。隨后，激發(fā)態(tài)電子通過(guò)受激輻射釋放出X射線光子，這些光子有時(shí)還會(huì)激發(fā)其他原子發(fā)射相同波長(zhǎng)的光子，形成定向輻射輸出。研究人員通過(guò)探測(cè)器測(cè)得了這種受激輻射信號(hào)，證實(shí)發(fā)生了激光現(xiàn)象。

他們還觀察到，盡管光譜結(jié)構(gòu)符合預(yù)期，空間分布上卻出現(xiàn)了少量“熱點(diǎn)”，而非均勻分布。通過(guò)三維模擬還原，研究人員證實(shí)，發(fā)射的X射線在樣品中傳播時(shí)發(fā)生了一種被稱(chēng)為“光絲化”的過(guò)程。這一現(xiàn)象通常由極強(qiáng)電磁場(chǎng)引起的折射率變化所致。

當(dāng)輸入脈沖強(qiáng)度進(jìn)一步提高時(shí)，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了光譜拓寬和多條譜線。模擬結(jié)果顯示，這是另一種激光行為“拉比循環(huán)”的結(jié)果，即原子周期性地吸收和受激發(fā)射光子。通過(guò)模擬，他們計(jì)算出了最終發(fā)射脈沖的時(shí)間結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些“不純凈”的輸入脈沖竟能觸發(fā)60~100阿秒的超短激光輸出，成為迄今為止世界上觀測(cè)到的最短硬X射線脈沖。

科學(xué)家仍在不斷探索XFEL技術(shù)潛能，此前已有研究嘗試“凈化”硬X射線脈沖，但這是首次實(shí)現(xiàn)阿秒時(shí)間尺度的發(fā)射脈沖，并首次捕捉到強(qiáng)激光現(xiàn)象的證據(jù)。