美国能源部 SLAC 国家加速器实验室的一组科学家正在开发新方法，以超快的速度探测宇宙的微小细节。在之前的研究中，研究人员开发了一种产生数百阿秒(或十亿分之一秒)长的X射线激光爆发的方法。这种方法被称为X 射线激光增强阿秒脉冲生成(XLEAP)，使科学家能够研究围绕分子快速移动的电子如何启动生物学、化学、材料科学等领域的关键过程。

现在，在 SLAC 科学家 Agostino Marinelli 和 James Cryan 的带领下，该团队开发了新工具，以突破性的方式使用这些阿秒脉冲：首次在泵浦探测实验中使用阿秒脉冲，并产生最强大的阿秒 X 射线脉冲曾经报道过。这些实验在 SLAC 的直线加速器相干光源 (LCLS) X 射线自由电子激光器上进行，并在《自然光子学》杂志上发表了两篇 文章，通过提供对原子和分子内部最快运动的见解，可以彻底改变从化学到材料科学的领域。

测量超快现象的新方法

在第一个开发中，研究人员引入了一种利用阿秒 X 射线脉冲进行“泵浦探针”实验的新颖方法。这些实验旨在测量短于万亿分之一秒的超快事件，涉及用“泵浦”脉冲激发原子，然后用第二个脉冲探测它们以观察由此产生的变化。

这项技术使科学家能够跟踪和测量原子和分子内的电子运动——这是影响化学反应、材料特性和生物功能的关键过程。他们通过生成两种颜色的激光脉冲对并精心控制它们之间的延迟至低至 270 阿秒来实现这一目标。

克莱恩说：“这种能力为在最基本的层面上研究光与物质的相互作用提供了新的机会。” “这令人兴奋，因为它已经发展成为一种实用的工具，使我们能够看到曾经遥不可及的电子动力学。我们现在正在观察在接近光穿过分子所需时间的时间尺度上发生的过程。”

在最近的一篇论文中，研究人员使用这种技术来观察电子在液态水中的实时移动。未来的研究将把这种方法应用于各种分子系统，提高这些测量的准确性，并扩大其跨科学学科的应用。

创建高功率阿秒脉冲

第二项开发集中于使用一种称为“超辐射”的技术产生高功率阿秒脉冲，实现近太瓦的功率水平。该过程涉及 X 射线自由电子激光器的级联效应，显着放大脉冲功率。

这些脉冲的增强强度使科学家能够探索独特的物质状态并见证在更短的时间尺度内发生的现象。

“这些是迄今为止报道过的最强大的阿秒 X 射线脉冲。这些脉冲的强度使我们能够探索全新的 X 射线科学领域，”马里内利说。 “我们突破了 X 射线脉冲能量的界限，达到了开辟新实验领域的功率水平。这一结果的实现要归功于一种特殊类型的波，它在通过电子束传播时保持其形状和速度，显着地保持其形状和速度。增强我们脉搏的强度和能量。”

研究人员计划进一步完善这项技术，以增强这些高功率脉冲的稳定性和控制力，旨在扩大其在不同科学领域的应用。

推动科学探索向前发展

这些发展突破了我们观测和测量能力的界限，为未来可能改变我们对自然世界的理解的科学突破奠定了基础。

观察运动中的原子和电子有助于设计具有针对技术、能源和其他领域的定制特性的新材料。了解化学反应过程中的电子运动也可以促进智能化学设计原理。

克莱恩说：“这些研究不仅加深了我们对物理学的理解，还为未来的创新铺平了道路，从而改变我们对电子驱动过程的理解。” “我们产生的每个阿秒脉冲都让我们对自然的构建有了新的认识，揭示了以前隐藏在视野中的动力学。我们预计未来会有更多令人兴奋的发现。”

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