波兰科学家利用X射线技术实现阿秒内化学反应测量

化学和生物学的核心是持续数万亿分之一秒的现象。它们无处不在。直到最近世界上才开始尝试记录它们的真实路径，结果好坏参半。然而，克拉科夫的科学家已经证明，可以构建一个进入阿物理学领域的新窗口，描绘了一幅有前景的蓝图。

阿秒现象可以用SwissFEL(这张照片展示了它的研究站Alvra)这样的自由电子激光器来研究。X射线计时技术分析激光脉冲与样品相互作用前后的形状，有可能提供这些现象的最准确图像。图片来源：IFJ PAN/Paul Scherrer Institut/SwissFEL Alvra

　　无论是在细胞深处还是试管内，涉及原子和分子中电子排列变化的化学过程发生得很快。它们的频率和重要性符合科学家的兴趣，他们长期以来一直试图追踪它们随时间的演变。

　　当前的X射线技术旨在观察持续阿秒(万亿分之一秒)的过程，对所用辐射束的特性提出了巨大的要求。

　　根据位于克拉科夫的波兰科学院核物理研究所(IFJ PAN)的一群科学家提出的一种新测量方法，这种情况预计在未来几年会有所改善。

　　X射线自由电子激光器(XFEL)使追踪过程进展的速度与原子与分子结合的速度一样快成为可能。由于其尺寸和施工成本，这些设备仅在世界各地的少数场所使用。它们产生的超短X射线脉冲仅持续几飞秒。

　　XFEL激光中心使用的两种主要测量方法是X射线光谱和X射线衍射。前者研究与样品相互作用时辐射光谱的变化，而后者研究X射线如何在样品上散射。

　　这两种方法都有相似的缺点：它们不可能看到比脉冲持续时间短的过程。这就是为什么在汉堡附近使用欧洲XFEL激光器时，迄今为止最快的过程持续了5飞秒。

　　几飞秒并不是很长，但这仍然不是阿物理学的世界。为了做到这一点，我们转向了计时技术，即一种分析脉冲如何随时间改变形状的技术。我们从理论上证明，这种方法可以成功地用于超短X射线脉冲，以获得与样品相互作用前后脉冲形状变化的信息。

　　——Wojciech Blachucki博士，第一作者，波兰科学院物理化学研究所

　　本文证明了测量超短激光脉冲的时间结构，即获取脉冲形状信息是可行的。即使在XFELs技术发展的当前阶段，该技术也能够从阿物理学领域推断现象。

　　如果激光脉冲持续20飞秒，并且关于其时间结构的信息可以在100点内重建，那么可以设想检测在20/100=1/5飞秒(即200阿秒)的时间发生的现象。

　　值得注意的是，目前时间分辨率可能小于1飞秒，但激光束的强度必须大大降低。这种技术有一系列负面后果。

　　辐照样品所需的时间增加到了数小时，这使得实际实验进行变得困难。这种限制在X射线时差仪中不存在，它通过采用一种灵敏的方法来确定辐射脉冲的时间结构，从而消除了对辐射脉冲的需要。

　　投入使用后，现有的激光中心可能会将一部分工作时间用于其他组织(如工业)的阿秒测量。

　　尽管如此，X射线测时术成为一种典型的研究方法还需要几年时间。证明与样品相互作用前后激光脉冲的平均持续时间不同，将是实现该技术的第一步。

　　这将是对基于克拉科夫的物理学家技术准确性的实验验证。研究人员只会在后期阶段更详细地重建与材料接触前后的脉冲时间结构。

　　我们提出的测量技术不仅限于自由电子激光器，而且具有普遍性。因此，它也可以成功地用于产生超短X射线脉冲的其他光源，例如位于布拉格附近的极光基础设施。

　　——波兰科学院物理化学研究所Jakub Szlachetko博士

　　来自斯德哥尔摩(KTH皇家理工学院)、乌普萨拉(乌普萨拉大学)、维利根(保罗·舍勒研究所)、舍内菲尔德(欧洲XFEL股份有限公司)和华沙(波兰科学院物理化学研究所IFJ PAN)的科学家为IFJ PAN的研究做出了贡献。这项研究得到了波兰国家科学中心的资助。

期刊参考：Błachucki. W., et al., (2022) Approaching the Attosecond Frontier of Dynamics in Matter with the Concept of X-ray Chronoscopy. Applied Sciences. doi.org/10.3390/app12031721.