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欧洲 XFEL 和 DESY 的科学家以兆赫兹重复率产生高功率阿秒 X 射线脉冲。借助特殊光束光学器件，相对论电子(蓝色云)被强烈压缩(中间的亮线)。这导致在阿秒时间尺度上产生非常明亮的高功率 X 射线脉冲。图片来源：欧洲 XFEL;插图：Tobias Wüstefeld
科学家通过创建具有兆赫重复率的高功率阿秒硬X射线脉冲，在X射线科学方面取得了重大进展，从而可以进行超快电子动力学研究和原子级无损测量。
这些脉冲具有重要意义，因为它们能够捕捉快速的电子运动，从而为阿秒晶体学带来潜在应用，并对各个科学学科产生变革性影响。
X射线脉冲技术的突破
欧洲 XFEL 和DESY的研究人员团队通过创建具有兆赫重复率的高功率阿秒硬 X 射线脉冲，在 X 射线科学方面取得了突破性进展。这一成就为研究超快电子动力学和进行非破坏性原子级测量开辟了新的可能性。研究人员于 11 月 25 日在《自然光子学》上发表了他们的研究成果。
研究人员成功生成了能量超过 100 微焦耳、脉冲持续时间仅为几百阿秒的单尖峰硬 X 射线脉冲。1 阿秒是 100 亿分之一秒，这个时间尺度如此之短，以至于科学家能够观察到物质中最快的电子运动。
原子级研究的新机遇
“这些高功率阿秒 X 射线脉冲可能为研究原子尺度的物质开辟新途径，”欧洲 XFEL 物理学家、《自然光子学》杂志上发表的研究报告的主要作者严家伟说。“利用这些独特的 X 射线，我们可以对结构和电子特性进行真正无损的测量。这为阿秒晶体学等高级研究铺平了道路，使我们能够观察真实空间中的电子动力学。”
产生这种超短硬 X 射线脉冲的传统方法需要将电子束电荷大幅降低至数十皮库仑，这限制了脉冲能量和实际用途。该团队开发了一种自啁啾方法，利用欧洲 XFEL 的电子束和专门的光束传输系统的集体效应。这种方法能够在不降低电子束电荷的情况下产生峰值功率为太瓦级、重复频率为兆赫兹的阿秒 X 射线脉冲。
科学研究的变革潜力
“通过将超短脉冲与兆赫重复率相结合，我们现在可以更快地收集数据并观察以前无法观察到的过程，”欧洲 XFEL 的 FEL 物理小组组长 Gianluca Geloni 表示。“这一进展有望改变多个科学领域的研究，尤其是蛋白质分子和材料的原子级成像以及非线性 X 射线现象的研究。”
