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科学家发明了一种利用X射线激光观察亚秒电子运动的方法

2019-12-03 10:32:49 • 来源：

能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员已经发明了一种方法，可以通过仅280阿秒(即十亿分之一秒的十亿分之一秒)的强大X射线激光脉冲来观察电子的运动。

这项名为X射线激光增强阿秒脉冲发生(XLEAP)的技术是科学家多年来一直在努力的一项重大进步，它为突破性研究铺平了道路，该研究围绕分子加速电子如何引发生物学中的关键过程，化学，材料科学等。

科学家发明了一种利用X射线激光观察亚秒电子运动的方法

该小组今天在《自然光子学》上的一篇文章中介绍了他们的方法。

论文的主要作者之一，斯坦福大学脉冲研究中心的研究员，SLAC科学家James Cryan说：“到目前为止，我们可以精确地观察到原子核的运动，但是实际上推动化学反应的更快的电子运动却被模糊了。”是SLAC和斯坦福大学的联合研究所。“有了这一进步，我们将能够使用X射线激光观察电子如何运动以及如何为随后的化学运动奠定基础。这推动了超快科学的前沿。”

对这些时间尺度的研究可以揭示，例如，光合作用过程中的光吸收几乎是如何瞬间将电子推向周围并引发一系列更慢的事件，最终产生氧气。

XLEAP项目负责人，论文的主要作者之一，SLAC科学家Agostino Marinelli说：“使用XLEAP，我们可以以合适的能量创建X射线脉冲，其亮度比以前的同类能量的阿秒脉冲高出一百万倍。” “这将使我们能够做很多人们一直想用X射线激光做的事情-现在还可以达到十亿分之一秒的规模。”

超快速X射线科学的飞跃

一秒是一个非常短的时间段-一秒等于一秒，一秒钟等于宇宙的寿命。近年来，科学家在创建亚秒级X射线脉冲方面取得了许多进展。但是，这些脉冲要么太弱，要么没有足够的能量来快速电子运动。

在过去的三年中，Marinelli和他的同事一直在研究14年前建议的X射线激光方法如何用于产生具有正确特性的脉冲-这项工作导致了XLEAP。

在机组人员开始对SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)X射线激光器进行重大升级之前进行的实验中，XLEAP团队证明，他们可以产生精确定时的亚秒级X射线脉冲，这可以使电子运动和然后记录下这些动作。这些快照可以串成定格电影。

美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的X射线科学专家Linda Young表示，“ XLEAP确实是一项巨大的进步。它具有前所未有的强度和灵活性的秒级X射线脉冲非常有用。一个突破性的工具，可以观察和控制复杂系统中单个原子位置的电子运动。”

像LCLS这样的X射线激光器通常会产生持续十亿分之一秒(即十亿分之一秒)的飞秒的闪光。该过程从创建电子束开始，电子束被束成短束，然后通过线性粒子加速器发送，在此处它们获得能量。它们以几乎光速行进，穿过称为起伏器的磁铁，其中一些能量被转换为X射线爆发。

电子束越短越亮，它们产生的X射线突发越短，因此一种用于产生亚秒级 X射线脉冲的方法是将电子压缩成越来越小的具有高峰值亮度的束。XLEAP是做到这一点的聪明方法。

发出阿秒X射线激光脉冲

在LCLS上，研究小组在波荡器的前面插入了两组磁铁，使它们能够将每个电子束塑造成所需的形状：一个强烈而狭窄的尖峰，其中包含具有广泛能量的电子。

SLAC的科学家，论文的第一作者，作者之一约瑟夫·杜里斯(Joseph Duris)说：“当我们通过波荡器发送脉冲长度约为飞秒的这些尖峰时，它们产生的X射线脉冲要短得多。” 他说，这些脉冲也非常强大，其中一些脉冲的峰值功率达到了半兆瓦。

为了测量这些令人难以置信的短X射线脉冲，科学家设计了一种特殊的设备，其中X射线穿过气体射击并剥离一些电子，从而形成电子云。红外激光发出的圆偏振光与云相互作用，使电子产生反冲。由于光的特定极化，某些电子最终运动得比其他电子快。

“这项技术的工作原理类似于在LCLS上实现的另一种想法，该想法将时间映射到像钟表一样的角度上，”论文的第一作者，最新斯坦福大学博士学位的李思奇说。“它使我们能够测量电子速度和方向的分布，从而可以计算出X射线脉冲的长度。”

接下来，XLEAP团队将进一步优化他们的方法，这可能导致更强烈甚至更短的脉冲。他们还为LCLS-II(LCLS的升级)做准备，LCLS的升级将每秒发出多达一百万个X射线脉冲，比以前快8,000倍。这将使研究人员能够进行他们梦long以求的实验，例如研究单个分子及其在自然界最快的时标上的行为。

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