科技日報記者 張佳欣

據(jù)11日發(fā)表在《自然》雜志上的一項新研究，由美國威斯康星大學麥迪遜分校領銜的國際合作團隊首次在硬X射線領域發(fā)現(xiàn)了強激光現(xiàn)象，并生成了迄今最短的硬X射線脈沖。這一突破有望推動量子X射線光學的發(fā)展，甚至用于觀察分子內(nèi)部電子的運動。

此次，團隊在內(nèi)殼層X射線中觀察到了強激光現(xiàn)象，并對其演化過程進行了模擬和計算。結(jié)果顯示，產(chǎn)生的X射線脈沖可以短于100阿秒（1阿秒為千億億分之一秒）。如此短的時間尺度，為研究電子在原子軌道中的運動提供了可能。

在實驗中，團隊使用X射線自由電子激光（XFEL）產(chǎn)生的X射線脈沖，照射到銅或錳制成的樣品上。XFEL本身的輸出“脈沖”并不純凈，包含多個時間尖峰和波長，但其強度極高且持續(xù)時間極短，相當于將照射地球的所有陽光聚焦在1平方毫米上。

這些X射線脈沖激發(fā)樣品中原子的內(nèi)殼層電子，使其進入激發(fā)態(tài)。隨后，激發(fā)態(tài)電子通過受激輻射釋放出X射線光子，這些光子有時還會激發(fā)其他原子發(fā)射相同波長的光子，形成定向輻射輸出。研究人員通過探測器測得了這種受激輻射信號，證實發(fā)生了激光現(xiàn)象。

他們還觀察到，盡管光譜結(jié)構(gòu)符合預期，空間分布上卻出現(xiàn)了少量“熱點”，而非均勻分布。通過三維模擬還原，研究人員證實，發(fā)射的X射線在樣品中傳播時發(fā)生了一種被稱為“光絲化”的過程。這一現(xiàn)象通常由極強電磁場引起的折射率變化所致。

當輸入脈沖強度進一步提高時，團隊還發(fā)現(xiàn)了光譜拓寬和多條譜線。模擬結(jié)果顯示，這是另一種激光行為“拉比循環(huán)”的結(jié)果，即原子周期性地吸收和受激發(fā)射光子。通過模擬，他們計算出了最終發(fā)射脈沖的時間結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些“不純凈”的輸入脈沖竟能觸發(fā)60—100阿秒的超短激光輸出，成為迄今為止世界上觀測到的最短硬X射線脈沖。

科學家仍在不斷探索XFEL技術潛能，此前已有研究嘗試“凈化”硬X射線脈沖，但這是首次實現(xiàn)阿秒時間尺度的發(fā)射脈沖，并首次捕捉到強激光現(xiàn)象的證據(jù)。