能源部SLAC國家加速器實驗室的研究人員已經(jīng)發(fā)明了一種方法，可以通過僅280阿秒(即十億分之一秒的十億分之一秒)的強大X射線激光脈沖來觀察電子的運動。

這項名為X射線激光增強阿秒脈沖發(fā)生(XLEAP)的技術(shù)是科學家多年來一直在努力的一項重大進步，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)生物學中的關(guān)鍵過程，化學，材料科學等。

該小組今天在《自然光子學》上的一篇文章中介紹了他們的方法。

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

對這些時間尺度的研究可以揭示，例如，光合作用過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項目負責人，論文的主要作者之一，SLAC科學家Agostino Marinelli說：“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)在還可以達到十億分之一秒的規(guī)模。”

超快速X射線科學的飛躍

一秒是一個非常短的時間段-一秒等于一秒，一秒鐘等于宇宙的壽命。近年來，科學家在創(chuàng)建亞秒級X射線脈沖方面取得了許多進展。但是，這些脈沖要么太弱，要么沒有足夠的能量來快速電子運動。

在過去的三年中，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-這項工作導致了XLEAP。

在機組人員開始對SLAC的直線加速器相干光源(LCLS)X射線激光器進行重大升級之前進行的實驗中，XLEAP團隊證明，他們可以產(chǎn)生精確定時的亞秒級X射線脈沖，這可以使電子運動和然后記錄下這些動作。這些快照可以串成定格電影。

美國能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學的X射線科學專家Linda Young表示，“ XLEAP確實是一項巨大的進步。它具有前所未有的強度和靈活性的秒級X射線脈沖非常有用。一個突破性的工具，可以觀察和控制復雜系統(tǒng)中單個原子位置的電子運動。”

像LCLS這樣的X射線激光器通常會產(chǎn)生持續(xù)十億分之一秒(即十億分之一秒)的飛秒的閃光。該過程從創(chuàng)建電子束開始，電子束被束成短束，然后通過線性粒子加速器發(fā)送，在此處它們獲得能量。它們以幾乎光速行進，穿過稱為起伏器的磁鐵，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 X射線脈沖的方法是將電子壓縮成越來越小的具有高峰值亮度的束。XLEAP是做到這一點的聰明方法。

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€電子束塑造成所需的形狀：一個強烈而狹窄的尖峰，其中包含具有廣泛能量的電子。

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

為了測量這些令人難以置信的短X射線脈沖，科學家設(shè)計了一種特殊的設(shè)備，其中X射線穿過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，某些電子最終運動得比其他電子快。

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

接下來，XLEAP團隊將進一步優(yōu)化他們的方法，這可能導致更強烈甚至更短的脈沖。他們還為LCLS-II(LCLS的升級)做準備，LCLS的升級將每秒發(fā)出多達一百萬個X射線脈沖，比以前快8,000倍。這將使研究人員能夠進行他們夢long以求的實驗，例如研究單個分子及其在自然界最快的時標上的行為。