阿秒X射線脈沖 揭示舞動的電子

SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

阿秒是十億分之一秒中的十億分之一。每秒的阿秒數(shù)比當(dāng)前宇宙時(shí)代的秒數(shù)還要多。

但是，現(xiàn)在可以產(chǎn)生X射線脈沖，其時(shí)間尺度可以用阿秒來測量。如此短的脈沖使科學(xué)家能夠在野外拍攝亞原子粒子的快照。

今年早些時(shí)候，科學(xué)家們利用這種方法對在液態(tài)水中移動的電子進(jìn)行成像，成為頭條新聞。隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，科學(xué)家們可能能夠利用它來觀察電子在許多其他種類的分子中的運(yùn)動，從而推動化學(xué)、生物學(xué)和任何其他研究分子行為的科學(xué)領(lǐng)域。

據(jù)悉，研究使用的工具是X射線自由電子激光器（XFEL，X-ray free electron laser），如加利福尼亞州SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室最近升級的直線加速器相干光源（LCLS，Linac Coherent Light Source），它會劇烈波動電子，使其發(fā)出強(qiáng)烈的X射線束。把這些光束壓縮成足夠短的脈沖，你就有了成像介質(zhì)。

為了使用FEL進(jìn)行電子觀測，科學(xué)家通常使用一種稱為泵浦探針法（pump-probe）的技術(shù)?？茖W(xué)家們首先用一個(gè)脈沖激勵(lì)目標(biāo)來“泵浦”它，然后用第二個(gè)脈沖“探測”它，使科學(xué)家能夠觀察目標(biāo)。如果第二個(gè)脈沖在足夠短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)，科學(xué)家們就可以在X射線損傷目標(biāo)之前有足夠的時(shí)間觀察亞原子粒子的量子榮耀。

在過去的十年里，激光科學(xué)家們穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)了越來越短的脈沖。在最近發(fā)表的一篇論文中，LCLS的實(shí)驗(yàn)人員將時(shí)間縮短到了270阿秒。SLAC的粒子加速器物理學(xué)家Agostino Marinelli說：“這只是一個(gè)很好的、簡單的實(shí)驗(yàn)，可以衡量我們的泵浦探針能力?！?/p>

SLAC的高級科學(xué)家James Cryan說：“當(dāng)我們推進(jìn)到阿秒時(shí)，我們真正想看到的是電子是如何在分子系統(tǒng)內(nèi)部移動的。電子是如何運(yùn)動的？它們是如何相互作用的？”

LCLS并不是世界上唯一的FEL——意大利的FERMI和德國的European XFEL也在進(jìn)行阿秒脈沖實(shí)驗(yàn)——但它具有同類中最高的能力。在LCLS，Marinelli、Cryan和他們的同事在阿秒時(shí)間尺度上使用了這種泵浦探針技術(shù)來成像在液態(tài)水中移動的電子。

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該實(shí)驗(yàn)不僅僅是一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)噱頭，它還幫助研究人員研究電離輻射在液態(tài)水中傳播時(shí)實(shí)際會發(fā)生什么。事實(shí)上，該實(shí)驗(yàn)是美國能源部項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目旨在更好地了解儲存在水中的核廢料的行為。接下來，SLAC的科學(xué)家們希望將其他物質(zhì)溶解在水中，并觀察這是如何改變電子行為的。

其他種類的分子是FEL探測的成熟素材。以苯為例：一種相當(dāng)簡單的分子，基于排列在六邊形環(huán)中的六個(gè)碳原子。科學(xué)家可以通過用其他原子的官能團(tuán)增加一個(gè)或多個(gè)碳原子來修飾環(huán)。然后，他們可以激發(fā)一個(gè)官能團(tuán)，比如說，并觀察波紋效應(yīng)在分子的其他部分傳播。

阿秒脈沖首先使這樣的實(shí)驗(yàn)成為可能。Cryan說，最終，科學(xué)家們可能能夠推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，以了解電子在更復(fù)雜的分子（如蛋白質(zhì)）中的行為。

不久前，產(chǎn)生阿秒脈沖的能力還很新穎，為其創(chuàng)造者贏得了2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Marinelli說，現(xiàn)在，這個(gè)仍然年輕的領(lǐng)域開始作為一種研究手段蓬勃發(fā)展?！懊看文愦蜷_一條新的研究線，它就會分叉，”他說，“它產(chǎn)生了許多新的研究領(lǐng)域，這就是現(xiàn)在正在發(fā)生的事情?！?/p>

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