阿秒X射线脉冲 揭示舞动的电子

SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

阿秒是十亿分之一秒中的十亿分之一。每秒的阿秒数比当前宇宙时代的秒数还要多。

但是，现在可以产生X射线脉冲，其时间尺度可以用阿秒来测量。如此短的脉冲使科学家能够在野外拍摄亚原子粒子的快照。

今年早些时候，科学家们利用这种方法对在液态水中移动的电子进行成像，成为头条新闻。随着这项技术的不断进步，科学家们可能能够利用它来观察电子在许多其他种类的分子中的运动，从而推动化学、生物学和任何其他研究分子行为的科学领域。

据悉，研究使用的工具是X射线自由电子激光器（XFEL，X-ray free electron laser），如加利福尼亚州SLAC国家加速器实验室最近升级的直线加速器相干光源（LCLS，Linac Coherent Light Source），它会剧烈波动电子，使其发出强烈的X射线束。把这些光束压缩成足够短的脉冲，你就有了成像介质。

为了使用FEL进行电子观测，科学家通常使用一种称为泵浦探针法（pump-probe）的技术。科学家们首先用一个脉冲激励目标来“泵浦”它，然后用第二个脉冲“探测”它，使科学家能够观察目标。如果第二个脉冲在足够短的时间内到达，科学家们就可以在X射线损伤目标之前有足够的时间观察亚原子粒子的量子荣耀。

在过去的十年里，激光科学家们稳步实现了越来越短的脉冲。在最近发表的一篇论文中，LCLS的实验人员将时间缩短到了270阿秒。SLAC的粒子加速器物理学家Agostino Marinelli说：“这只是一个很好的、简单的实验，可以衡量我们的泵浦探针能力。”

SLAC的高级科学家James Cryan说：“当我们推进到阿秒时，我们真正想看到的是电子是如何在分子系统内部移动的。电子是如何运动的？它们是如何相互作用的？”

LCLS并不是世界上唯一的FEL——意大利的FERMI和德国的European XFEL也在进行阿秒脉冲实验——但它具有同类中最高的能力。在LCLS，Marinelli、Cryan和他们的同事在阿秒时间尺度上使用了这种泵浦探针技术来成像在液态水中移动的电子。

SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

该实验不仅仅是一个基础科学噱头，它还帮助研究人员研究电离辐射在液态水中传播时实际会发生什么。事实上，该实验是美国能源部项目的一部分，该项目旨在更好地了解储存在水中的核废料的行为。接下来，SLAC的科学家们希望将其他物质溶解在水中，并观察这是如何改变电子行为的。

其他种类的分子是FEL探测的成熟素材。以苯为例：一种相当简单的分子，基于排列在六边形环中的六个碳原子。科学家可以通过用其他原子的官能团增加一个或多个碳原子来修饰环。然后，他们可以激发一个官能团，比如说，并观察波纹效应在分子的其他部分传播。

阿秒脉冲首先使这样的实验成为可能。Cryan说，最终，科学家们可能能够推进这项技术，以了解电子在更复杂的分子（如蛋白质）中的行为。

不久前，产生阿秒脉冲的能力还很新颖，为其创造者赢得了2023年诺贝尔物理学奖。Marinelli说，现在，这个仍然年轻的领域开始作为一种研究手段蓬勃发展。“每次你打开一条新的研究线，它就会分叉，”他说，“它产生了许多新的研究领域，这就是现在正在发生的事情。”