一项国际合作研究发现，超快 X 射线激光脉冲会导致硅晶体的衍射图像在高强度下因快速电子损伤而变暗。这一发现为生产更短的激光脉冲和进行更精确的原子结构分析提供了新的可能性。

当我们照亮某样东西时，通常会认为使用的光源越亮，得到的图像也就越亮。这一规律同样适用于超短脉冲激光，但只能达到一定的强度。研究发现，高强度 X 射线脉冲会导致硅晶体衍射图像意外变暗，这一现象可能会推动激光技术和材料分析的进步。

研究人员正在探索为什么在非常高的 X 射线强度下，X 射线衍射图像会变得不那么明亮。了解这一现象不仅能加深我们对光-物质相互作用的认识，还能为生产持续时间比目前短得多的激光脉冲提供独特的视角。

用于晶体硅样品衍射实验的 SACLA 设施的实验装置。资料来源：SACLA

X 射线衍射中的惊人观察结果

光线越强越亮？事实并非总是如此！用超快 X 射线激光脉冲照射硅晶体时，落在样品上的光子越多，即光束强度越高，确实衍射出的图像最初是越亮的。然而，最近人们观察到了一种反直觉效应：当 X 射线光束的强度开始超过某个临界值时，衍射图像会意外地变弱。

在日本、波兰和德国研究机构（包括兵库县理化学研究所 SPring-8 中心、克拉科夫波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN) 和汉堡 DESY 实验室自由电子激光科学中心 (CFEL) ）的实验和理论物理学家的努力下，这一令人费解的现象刚刚得到了解释。

SACLA 自由电子激光设施，超短 X 射线脉冲在晶体硅样品上的衍射实验就在这里进行。资料来源：SACLA

XFEL 在物质分析中的作用

X 射线自由电子激光器（XFEL）能产生持续时间为飞秒（即四十亿分之一秒）的超强 X 射线脉冲。这种机器目前只在世界上少数几个地方运行，主要用于通过 X 射线衍射分析物质结构。利用这种技术，用 X 射线脉冲照射样品并记录衍射辐射。获得的衍射图像可用于重建被测材料的原始晶体结构。

"直觉告诉我们，光子越多，样品的衍射图像就应该越清晰。事实的确如此，但这只限于一定的 X 射线强度，即每平方厘米数十万亿瓦特。当超过这个值时--我们最近才有能力做到这一点--衍射信号突然开始减弱。"Beata Ziaja-Motyka 教授（IFJ PAN，DESY）说："我们的研究是解释这种意外效应的首次尝试。"

理论研究和模拟的启示

在日本兵库县名为 SACLA 的 XFEL 设备上进行的 XFEL 激光照射晶体硅样品的实验结果，其理论研究得到了计算机模拟的支持。研究人员对观察到的现象做出了如下解释。

"当高能光子雪崩击中一种材料时，各种原子壳中的电子会被大量击落，导致材料中的原子迅速电离。去年，我们小组的研究表明，在光脉冲击中样品后，电离原子在晶格中的首次移动，即样品结构自毁过程的启动，发生了大约 20 飞秒的延迟。"负责这项实验研究的理化学研究所 SPring-8 中心的 Ichiro Inoue 博士说："我们现在确信，最近观察到的衍射信号减弱的原因是在相互作用的前六个飞秒发生的现象。"

在 X 射线与物质相互作用的初始阶段，射入的高能光子不仅迅速激发了原子的'表面'（价电子），而且还激发了位于原子核附近、占据原子深层外壳的电子。事实证明，原子深壳空穴的存在会大大降低原子散射系数，即决定所观察到的衍射信号强度的量。

电子损伤及其影响

"我们的研究表明，在材料结构发生任何损坏和样品解体之前，首先会发生快速的电子损坏。因此，脉冲的最后部分实际上不再电离材料，因为 X 射线光子不再可能在能量上进一步激发电子，"Ziaja-Motyka 教授指出。

潜在应用和突破

乍一看，观察到的效应似乎只是不利的，因为它导致记录的衍射图像亮度降低。然而，人们似乎可以很好地利用这一发现。观察到不同原子对超快 X 射线脉冲的反应不同，这可能有助于从记录的衍射图像中更准确地重建三维复杂原子结构。

另一个潜在的应用领域是生产脉冲持续时间极短的激光脉冲。由于高强度 X 射线脉冲通过的材料会"切断"已经超短的脉冲的很大一部分，因此可以有意将其用作"剪刀"，以产生比目前产生的脉冲更短的脉冲。如果研究成功，这将推动量子世界成像技术的又一次突破。

本文介绍的研究由波兰科学院核物理研究所共同资助。

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.163201

编译来源：ScitechDaily