能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)發(fā)明了一種方法，可以通過(guò)僅280阿秒(即十億分之一秒的十億分之一秒)的強(qiáng)大X射線激光脈沖來(lái)觀察電子的運(yùn)動(dòng)。

這項(xiàng)名為X射線激光增強(qiáng)阿秒脈沖發(fā)生(XLEAP)的技術(shù)是科學(xué)家多年來(lái)一直在努力的一項(xiàng)重大進(jìn)步，它為突破性研究鋪平了道路，該研究圍繞分子加速電子如何引發(fā)生物學(xué)中的關(guān)鍵過(guò)程，化學(xué)，材料科學(xué)等。

該小組今天在《自然光子學(xué)》上的一篇文章中介紹了他們的方法。

論文的主要作者之一，斯坦福大學(xué)脈沖研究中心的研究員，SLAC科學(xué)家James Cryan說(shuō)：“到目前為止，我們可以精確地觀察到原子核的運(yùn)動(dòng)，但是實(shí)際上推動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的更快的電子運(yùn)動(dòng)卻被模糊了。”是SLAC和斯坦福大學(xué)的聯(lián)合研究所。“有了這一進(jìn)步，我們將能夠使用X射線激光觀察電子如何運(yùn)動(dòng)以及如何為隨后的化學(xué)運(yùn)動(dòng)奠定基礎(chǔ)。這推動(dòng)了超快科學(xué)的前沿。”

對(duì)這些時(shí)間尺度的研究可以揭示，例如，光合作用過(guò)程中的光吸收幾乎是如何瞬間將電子推向周圍并引發(fā)一系列更慢的事件，最終產(chǎn)生氧氣。

XLEAP項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，論文的主要作者之一，SLAC科學(xué)家Agostino Marinelli說(shuō)：“使用XLEAP，我們可以以合適的能量創(chuàng)建X射線脈沖，其亮度比以前的同類能量的阿秒脈沖高出一百萬(wàn)倍。” “這將使我們能夠做很多人們一直想用X射線激光做的事情-現(xiàn)在還可以達(dá)到十億分之一秒的規(guī)模。”

超快速X射線科學(xué)的飛躍

一秒是一個(gè)非常短的時(shí)間段-一秒等于一秒，一秒鐘等于宇宙的壽命。近年來(lái)，科學(xué)家在創(chuàng)建亞秒級(jí)X射線脈沖方面取得了許多進(jìn)展。但是，這些脈沖要么太弱，要么沒(méi)有足夠的能量來(lái)快速電子運(yùn)動(dòng)。

在過(guò)去的三年中，Marinelli和他的同事一直在研究14年前建議的X射線激光方法如何用于產(chǎn)生具有正確特性的脈沖-這項(xiàng)工作導(dǎo)致了XLEAP。

在機(jī)組人員開(kāi)始對(duì)SLAC的直線加速器相干光源(LCLS)X射線激光器進(jìn)行重大升級(jí)之前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，XLEAP團(tuán)隊(duì)證明，他們可以產(chǎn)生精確定時(shí)的亞秒級(jí)X射線脈沖，這可以使電子運(yùn)動(dòng)和然后記錄下這些動(dòng)作。這些快照可以串成定格電影。

美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的X射線科學(xué)專家Linda Young表示，“ XLEAP確實(shí)是一項(xiàng)巨大的進(jìn)步。它具有前所未有的強(qiáng)度和靈活性的秒級(jí)X射線脈沖非常有用。一個(gè)突破性的工具，可以觀察和控制復(fù)雜系統(tǒng)中單個(gè)原子位置的電子運(yùn)動(dòng)。”

像LCLS這樣的X射線激光器通常會(huì)產(chǎn)生持續(xù)十億分之一秒(即十億分之一秒)的飛秒的閃光。該過(guò)程從創(chuàng)建電子束開(kāi)始，電子束被束成短束，然后通過(guò)線性粒子加速器發(fā)送，在此處它們獲得能量。它們以幾乎光速行進(jìn)，穿過(guò)稱為起伏器的磁鐵，其中一些能量被轉(zhuǎn)換為X射線爆發(fā)。

電子束越短越亮，它們產(chǎn)生的X射線突發(fā)越短，因此一種用于產(chǎn)生亞秒級(jí) X射線脈沖的方法是將電子壓縮成越來(lái)越小的具有高峰值亮度的束。XLEAP是做到這一點(diǎn)的聰明方法。

發(fā)出阿秒X射線激光脈沖

在LCLS上，研究小組在波蕩器的前面插入了兩組磁鐵，使它們能夠?qū)⒚總€(gè)電子束塑造成所需的形狀：一個(gè)強(qiáng)烈而狹窄的尖峰，其中包含具有廣泛能量的電子。

SLAC的科學(xué)家，論文的第一作者，作者之一約瑟夫·杜里斯(Joseph Duris)說(shuō)：“當(dāng)我們通過(guò)波蕩器發(fā)送脈沖長(zhǎng)度約為飛秒的這些尖峰時(shí)，它們產(chǎn)生的X射線脈沖要短得多。” 他說(shuō)，這些脈沖也非常強(qiáng)大，其中一些脈沖的峰值功率達(dá)到了半兆瓦。

為了測(cè)量這些令人難以置信的短X射線脈沖，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種特殊的設(shè)備，其中X射線穿過(guò)氣體射擊并剝離一些電子，從而形成電子云。紅外激光發(fā)出的圓偏振光與云相互作用，使電子產(chǎn)生反沖。由于光的特定極化，某些電子最終運(yùn)動(dòng)得比其他電子快。

“這項(xiàng)技術(shù)的工作原理類似于在LCLS上實(shí)現(xiàn)的另一種想法，該想法將時(shí)間映射到像鐘表一樣的角度上，”論文的第一作者，最新斯坦福大學(xué)博士學(xué)位的李思奇說(shuō)。“它使我們能夠測(cè)量電子速度和方向的分布，從而可以計(jì)算出X射線脈沖的長(zhǎng)度。”

接下來(lái)，XLEAP團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化他們的方法，這可能導(dǎo)致更強(qiáng)烈甚至更短的脈沖。他們還為L(zhǎng)CLS-II(LCLS的升級(jí))做準(zhǔn)備，LCLS的升級(jí)將每秒發(fā)出多達(dá)一百萬(wàn)個(gè)X射線脈沖，比以前快8,000倍。這將使研究人員能夠進(jìn)行他們夢(mèng)long以求的實(shí)驗(yàn)，例如研究單個(gè)分子及其在自然界最快的時(shí)標(biāo)上的行為。