科學新突破！科學家成功創造史上最短硬X射線雷射脈衝

國際研究團隊運用X射線自由電子雷射(XFEL)技術，成功激發出強大內殼層雷射效應，產生了突破性的「阿秒級」硬X射線脈衝。這項發表於《自然》期刊的研究成果，為量子X射線光學領域開創全新可能性。

來自威斯康辛大學麥迪遜分校的研究團隊主導這項突破性實驗。物理學教授Uwe Bergmann表示：「這是首次在內殼層X射線雷射中觀察到如此強烈的雷射現象，透過模擬計算，我們發現產生的X射線脈衝可短於100阿秒。」要知道，1阿秒僅相當於百億億分之一秒！

這項技術的原理類似於光學雷射，但波長更短。研究人員使用極高強度的X射線脈衝激發原子內殼層電子，當這些電子回歸基態時會釋放X射線光子。在特定條件下，這些光子會觸發連鎖反應，產生具有方向性的受激輻射。

研究團隊將XFEL脈衝聚焦在銅錳樣本上，其強度相當於將照射到地球的陽光集中到1平方毫米的區域。透過精密儀器分析散射的X射線，他們不僅確認了受激輻射現象，更意外發現了「熱點」現象。

「這就是所謂的絲狀效應，」主要作者Thomas Linker解釋：「當輻射場極強時會改變折射率，導致空間上出現觀察到的熱點。」更令人驚奇的是，當提高脈衝強度後，團隊觀測到光譜展寬現象，這只能用「拉比振盪」理論來解釋——樣本會週期性地吸收並釋放光子。

這項技術的重大意義在於其時間解析度。Linker強調：「化學鍵形成與斷裂發生在飛秒尺度，但要觀察電子軌域內的動態行為，就需要阿秒級的解析能力。」目前全球XFEL設施僅約15年歷史，這項研究不僅實現了史上最短硬X射線脈衝，更首次證實了硬X射線的強雷射現象。

「硬X射線具有原子級空間解析度，且對不同元素敏感度高，」Bergmann教授指出：「這項研究將推動雷射科學進入強大的硬X射線領域。」該研究獲得美國能源部等多個機構支援，實驗分別在SLAC國家加速器實驗室和日本Spring-8同步輻射設施進行。