來自威斯康星大學麥迪遜分校的科學家合作團隊成功產生了迄今為止最短的硬 X 射線脈衝。這一成就源於他們首次展示了一種強大的新型激光效應。
一個阿秒等於 1 拍秒，即 10^-18 秒。為了更好理解，阿秒與一秒的比例大致相當於一秒與宇宙自大爆炸以來的年齡之比。
在這項研究中，研究人員觀察到了內殼 X 射線激光中的強激光現象，並能夠模擬和計算其演變過程。威斯康星大學的物理學教授 Uwe Bergmann 表示：「當你計算出來的 X 射線脈衝可以非常短，短於 100 阿秒。」這種短脈衝的持續時間可能成為新型和先進激光應用的重大推動力。
內殼 X 射線激光過程的運作方式類似於光學激光，但波長相對較短。強大的 X 射線脈衝激發原子緊密持有的內殼電子，這些電子在回到其原始狀態時會發射 X 射線光子，並觸發強烈的自激發射反應，產生強而有方向的 X 射線束。
然而，目前的 X 射線自由電子激光（XFEL）產生的脈衝較為「混亂」，時間不均以及波長變化，這限制了其在某些應用中的實用性。實現更乾淨、可控的 X 射線脈衝對於推進這項技術至關重要。
研究人員在這項研究中希望在銅或錳樣本上創建緊密聚焦的 X 射線激光脈衝。儘管這些脈衝有些混亂，但其強度卻非常高，彷彿所有陽光都集中在地球上的一個小點。樣本隨後朝著入射脈衝的方向發射 X 射線光，該光被波長分散並由檢測器分析。
團隊首先確認了自激發射的發生，觀察到強信號，但也注意到了一個意外的模式：檢測器有時顯示出明亮的熱點，而不是平滑的信號。通過 3D 模擬，他們發現當 X 射線穿過樣本時，形成了細絲，解釋了這一異常現象。
此外，當團隊增加輸入脈衝強度時，觀察到意外的光譜展寬以及多個光譜線。模擬顯示 Rabi 週期性運動是這一現象的原因。因此，團隊成功產生了持續時間僅為 60 至 100 阿秒的自激發射脈衝，成為有史以來記錄的最短硬 X 射線脈衝。相比之下，約八年前來自 ETH 蘇黎世的研究人員發現的最短軟 X 射線脈衝為 43 阿秒。
「我們已經生成了具有強激光現象的硬 X 射線阿秒脈衝，」Linker 說。「化學鍵的形成和斷裂時間尺度是飛秒（比阿秒長 1,000 倍）時間尺度。但如果想要觀察電子動力學，即它們在其軌道中的運動，那就是阿秒時間尺度。」
Bergmann 表示：「激光社群現在使用了許多非線性技術和現象，但很少有這些技術敢於嘗試硬 X 射線。」他指出，硬 X 射線非常強大，具有埃級波長，提供原子空間分辨率，並對不同元素敏感。這項工作是將真實激光科學推向這一強大硬 X 射線領域的又一步。
XFEL 已經存在約 15 年，因此科學家們仍在學習和理解如何應用它們。這項研究並不是首次「清理」硬 X 射線脈衝，但卻是首次在這一時間尺度上實現發射脈衝並顯示出強激光現象的證據。這一成就的詳細信息已發表在《自然》期刊的新研究中。
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