超快X射线科学的新基准
林肯相干光源（LCLS）位于美国能源部SLAC国家加速器实验室。该机构的研究人员测得了迄今在X射线自由电子激光器上记录的最短高能X射线脉冲。报告显示，这些脉冲的光子能量约为9千电子伏特，持续时间为100至400阿秒。
一阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一。在这一时间尺度上，研究人员希望研究物质中的极快速过程，包括电子运动。相关研究结果发表在Nature Photonics上。
这一成果的重要性不仅在于脉冲持续时间，还在于团队成功测量了这一持续时间。SLAC研究人员兼论文作者Agostino Marinelli表示，产生高能阿秒X射线脉冲的技术经过数年才得以掌握；证明这些脉冲仅持续几百阿秒，则是更困难的任务。
硬X射线兼具速度与穿透力
该实验聚焦于硬X射线，即高能X射线。这些能量约为9 keV的脉冲既足以深入探测原子系统，又足够短，能够捕捉超快时间尺度上的电子运动。这种组合使其适用于探究物质最微小、最快速尺度的实验。
对于X射线自由电子激光器而言，仅有短脉冲并不足以建立可用的科学能力。研究人员还需要表征脉冲能量、光谱、形状和持续时间的方法。没有这种诊断手段，就无法以开展精确计时实验所需的可信度确认超短脉冲。
利用荧光进行脉冲诊断
论文第一作者、东京大学的Ichiro Inoue提出了一种基于放大自发辐射（ASE）的间接测量方法。当强聚焦的X射线脉冲激发材料并使其沿前向产生荧光时，就会发生ASE。原始X射线脉冲的信息会嵌入这种发射出的荧光中。
在LCLS实验中，团队产生了一束被认为含有阿秒X射线的光束。部分光束被送入探测器，以测量其能量和光谱形状。其余光束被聚焦到铜箔上一个仅150纳米宽的光斑。该相互作用产生了ASE，并由第二个探测器捕获。
通过将荧光信号与原始光束的测量结果结合，研究人员能够推断出X射线脉冲的持续时间等属性。诊断结果表明，这些硬X射线脉冲的持续时间处于100至400阿秒范围内。
为什么测量至关重要
超短脉冲研究依赖于让计时工具与被研究事件相匹配。电子运动展开的速度可能远快于在更长时间尺度上可见的化学变化。原则上，持续几百阿秒的脉冲能够提供比更长X射线闪光更锐利的时间窗口。
因此，这项新展示的诊断技术为产生硬阿秒X射线增添了重要的实用能力。研究人员不必再依赖对脉冲持续时间的假设，而是可以评估光束是否具备超快实验所需的特性。
这项工作也说明了实验方法在推动科学仪器发展中的作用。此次记录成果来自光束产生、纳米尺度聚焦、铜靶以及两种互补测量的结合。每个环节都是将超快光束转化为可测量结果所必需的。
下一步是什么
原始文章将这些脉冲描述为适用于研究最微小、最快速尺度上的现象。这一表述指向了这样一类研究：高能X射线可以探测原子系统，而阿秒计时能够解析快速电子行为。报告的结果本身并未描述利用这些新脉冲观测到的特定材料或过程；它确立并验证了这种脉冲能力。
对于LCLS以及更广泛的X射线自由电子激光领域而言，这项进展建立了新的测量基准：光子能量接近9 keV、持续时间短至100阿秒的硬X射线脉冲，并通过基于ASE的诊断得到确认。未来实验可以在这一基础上继续发展，以同时满足硬X射线的穿透能力和阿秒科学的时间分辨率要求。
要点
- LCLS测得了持续100至400阿秒的硬X射线脉冲。
- 这些脉冲的光子能量约为9 keV。
- 团队利用铜箔产生的放大自发辐射作为间接诊断手段。
- 研究发表在Nature Photonics上。
本文根据Phys.org的报道编写。阅读原文。
Originally published on phys.org