科学家创造了一项新的世界纪录：他们产生了极其强烈的X射线闪光，持续时间仅300阿秒——这是一个几乎难以想象的短暂时间。研究团队利用强大的X射线研究设施欧洲XFEL，将这些闪光聚焦到约为人发横截面积十万分之一的区域内。

通过将如此多的X射线能量压缩到如此微小的空间内，研究人员制造出一束异常强大的光束，这可能为研究原子和分子内部电子行为开辟新的可能性。这一突破最终有望帮助科学家观察化学反应过程中电子的快速运动，甚至有可能学会控制这些运动。

该实验于2026年4月进行，研究结果现已发表在科学期刊《Optica》上。

创纪录的X射线闪光仅持续300阿秒

“这是硬X射线阿秒脉冲在强度和注量方面的一项世界纪录，”该论文第一作者、东京大学的井上一郎（Ichiro Inoue）说。

硬X射线是一种波长极短的光。科学家用两种测量方式来描述其非凡威力。注量（fluence）指传递到特定区域的能量多少，而强度（intensity）还会考虑这些能量传递得有多快。

在这项实验中，每个X射线脉冲估计持续300阿秒（1阿秒等于十亿分之一的十亿分之一秒）。如此极短的闪光为研究人员提供了一种手段，用来研究那些快到传统观测方式无法捕捉的事件。

为了聚焦X射线，研究团队使用了一种名为先进柯克帕特里克-贝兹（advanced Kirkpatrick-Baez，AKB）系统的专用光学装置。它由两面极其精确的镜子组成，从不同方向聚焦光束。每个脉冲总共经历四次反射，其中一面镜子在垂直方向聚焦X射线，另一面在水平方向聚焦。

结果得到了一个小得惊人的焦斑，尺寸仅为180 × 330纳米（1纳米等于十亿分之一米）。通过将能量引导到这一微观区域，研究人员得以实现创纪录的强度。

“几年前，我们在欧洲XFEL展示了太瓦级硬X射线阿秒脉冲，”该研究的通讯作者之一、DESY科学家严嘉伟（Jiawei Yan）说。“但产生强大脉冲只是第一步。对于实验而言，真正重要的是我们能将什么传递到样品上。借助这一进展，我们现在可以利用阿秒X射线探索X射线与物质之间的高度非线性相互作用。”

当极强的X射线使物质以弱光照射下通常不会发生的方式作出响应时，就会发生这种非线性相互作用。研究此类效应可以揭示原子和电子在极端条件下行为的新细节。

铜原子内部的不寻常反应

为了确认其X射线脉冲的非凡强度，研究人员将它们对准一片薄铜板。该实验提供了独立证据，表明聚焦后的闪光达到了超过10²⁰瓦特每平方厘米的峰值强度。

当X射线击中铜时，它们将电子从原子最内层电子壳层中击出，留下被称为“空穴”的空位。原子其他部分的电子随后移入这些空位，并以X射线光的形式释放能量。

在通常情况下，这种发出的光会向许多不同方向传播。然而，当入射X射线强度足够高时，会发生一种显著现象。发出的光可以刺激其他受激铜原子沿同一方向释放更多X射线，从而产生放大的光束。

科学家称这种现象为放大自发辐射（amplified spontaneous emission，ASE）。

“看到这一现象发生几乎令人觉得神奇，”该研究所在MID仪器的研究组组长安德斯·马德森（Anders Madsen）说。“普通荧光会向各个方向传播，与入射光束方向无关。但当跨过ASE阈值时，你会看到光锥开始向前方方向汇聚。”

研究团队还观察到极端强度的另一个重要特征。随着他们提高X射线脉冲的能量，放大信号最初变得强得多。然而在更高能量下，增幅放缓并最终趋于平稳，这种行为被称为饱和。

这种模式只有在极强X射线照射下才预期出现。它的出现进一步证实了根据脉冲能量、持续时间和聚焦光束尺寸计算出的创纪录强度。

探索电子隐秘世界的新方式

除了创造世界纪录之外，这一突破还可能显著扩展科学家研究自然界某些最快过程的能力。

电子在决定原子如何结合、分子如何相互作用以及化学反应如何展开方面发挥着核心作用。它们的运动发生在极短的时间尺度上，因此难以直接观测。

通过将超短X射线闪光与极高强度结合起来，研究人员希望能在入射辐射有足够时间显著改变被研究材料之前捕获电子信息。这可能更清晰地揭示原子和分子内部电子行为，从更长远看，还可能带来在化学反应过程中影响电子运动的方法。

用于这项创纪录实验的先进柯克帕特里克-贝兹反射镜系统是从日本运来的。欧洲XFEL目前正准备接收自己的AKB系统，预计于2027年初交付。

新设备由与汉堡大学合作资助，并得到联邦研究、技术和航天部（BMFTR）的额外支持。

一旦该系统安装并调试完成，世界各地使用MID仪器的科学家预计将能获得这些极短且极强的X射线闪光。升级后的能力可能使研究人员能够以先前难以达到的细节水平研究电子行为，从而更接近理解和潜在控制化学反应背后的基本过程。

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