实验室生成最短硬X射线激光脉冲

据2025年6月11日发表在《自然》杂志上的一项新研究，由美国威斯康星大学麦迪逊分校领衔的国际合作团队首次在硬X射线领域发现了强激光现象，并生成了迄今最短的硬X射线脉冲。相关介绍如下：实验过程：团队使用X射线自由电子激光（XFEL）产生的X射线脉冲，照射到铜或锰制成的样品上。XFEL输出的“脉冲”不纯净，包含多个时间尖峰和波长，但强度极高且持续时间极短。这些X射线脉冲激发样品中原子的内壳层电子，使其进入激发态，随后激发态电子通过受激辐射释放出X射线光子，这些光子有时还会激发其他原子发射相同波长的光子，形成定向辐射输出。研究人员通过探测器测得了这种受激辐射信号，证实发生了激光现象。原理分析：通过三维模拟还原，研究人员证实发射的X射线在样品中传播时发生了“光丝化”过程，这一现象通常由极强电磁场引起的折射率变化所致。当输入脉冲强度进一步提高时，还发现了光谱拓宽和多条谱线，这是“拉比循环”的结果，即原子周期性地吸收和受激发射光子。脉冲成果：通过模拟，团队计算出了最终发射脉冲的时间结构，发现这些“不纯净”的输入脉冲竟能触发60 - 100阿秒的超短激光输出，这是迄今为止世界上观测到的最短硬X射线脉冲。此前，也有一些关于生成短脉冲硬X射线激光的研究。例如，2017年北京大学物理学院重离子物理研究所黄森林副教授与美国SLAC国家加速器实验室合作，在国际上首次产生了200阿秒的高亮度X射线脉冲。2024年欧洲X射线自由电子激光装置（XFEL）和德国电子同步加速器研究中心团队成功生成了前所未有的高功率、阿秒级硬X射线脉冲，且重复频率达到了兆赫兹级别，其单尖峰硬X射线脉冲能量超过100微焦耳，脉冲持续时间仅为几百阿秒。但此次美国团队生成的60 - 100阿秒的硬X射线脉冲，在时间尺度上更短，是该领域的又一重要突破，有望推动量子X射线光学的发展，甚至用于观察分子内部电子的运动。