欧洲XFEL创下硬X射线脉冲强度新纪录 仅300阿秒闪光揭示电子世界

科学家长期希望弄清电子在原子和分子中的运动过程，从而深入理解化学反应，甚至在未来实现对电子行为的主动操控。X射线是研究电子运动的重要工具，但高能辐射本身也可能改变被测样品，因此研究人员必须在样品发生明显变化之前获取足够的信息。

在此次实验中，研究团队将X射线脉冲聚焦到一个极其微小的区域，面积约为普通人类头发横截面的十万分之一。每个脉冲持续时间约为300阿秒，而一阿秒仅相当于十亿分之一的十亿分之一秒。实验于2026年4月在欧洲XFEL设施的MID实验站完成，所使用的是波长极短的硬X射线。

参与研究的德国电子同步加速器中心（DESY）科学家颜嘉伟表示，几年前团队已经展示了太瓦级硬X射线阿秒脉冲，但产生强脉冲只是第一步，真正重要的是能够将这种能量有效输送到实验样品上。随着此次突破，科学家已经能够利用阿秒级X射线研究X射线与物质之间高度非线性的相互作用。

为了实现极端聚焦，研究人员采用了一套来自日本的先进Kirkpatrick-Baez光学系统（AKB）。每个X射线脉冲经历四次反射，其中两块超高精度镜面分别负责垂直和水平方向聚焦。最终，X射线被压缩到仅180×330纳米的微小焦点区域内。

根据脉冲能量、持续时间以及聚焦点尺寸计算，研究团队估算其峰值强度超过每平方厘米10²⁰瓦。东京大学研究员井上一郎表示，这一结果刷新了硬X射线阿秒脉冲在强度和能量通量方面的世界纪录。其中，能量通量用于衡量单位面积接收到的能量，而强度则进一步反映这些能量在多短时间内释放。

为了验证这一计算结果，研究人员将这些超强脉冲照射到铜箔样品上。X射线会将铜原子深层内壳电子击出，形成电子空位。当其他电子填补这些空位时，会释放新的X射线辐射。在足够高的强度下，这些辐射能够诱导其他受激铜原子沿相同方向发射更多X射线，从而产生被称为“放大自发辐射”（ASE）的现象，实现信号放大。

MID实验站负责人安德斯·马德森表示，观察到这一现象令人感到近乎神奇。正常荧光会向各个方向发射，与入射光束方向无关；而当ASE阈值被突破时，研究人员能够清晰看到光束逐渐收缩并集中到前进方向。

实验结果显示，随着脉冲能量增加，ASE信号最初快速增强，随后在更高能量下趋于饱和。研究人员指出，这种饱和现象只会在极高X射线强度条件下出现，因此为此前计算得到的超高强度提供了独立验证。

欧洲XFEL计划于2027年初接收并安装属于自己的AKB聚焦系统。研究人员表示，在系统完成安装和调试后，来自全球的科研团队将能够利用MID实验站获得同样短暂而强大的X射线闪光，为超快物理学、材料科学、化学反应动力学以及非线性X射线科学研究开辟新的可能性。