科學家刷新了最短的光脈衝記錄

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一台X射線激光器發出的僅僅持續53阿秒(1阿秒=1秒的十億分之一的十億分之一)的單次閃光，已經成為光學史上最短的同類光脈衝。將記錄縮短了14阿秒。

創造這項紀錄可不是為了吹牛的。這個進步將改進測量原子和分子中粒子的位置和行為的研究，這將打開新技術的大門。

從上世紀60年代激光開始發展以來，超短光脈衝的記錄一直在被刷新。從最初的毫秒級到如今的阿秒級，我們走了很長的一段路。

中佛羅里達大學的研究人員在2012年創下了67阿秒的記錄，那時他們使用的是紫外光脈衝。

在這個最新的實驗中，他們縮短了波長和脈衝，在光譜中更高能的X射線部分實現了光脈衝。

做個比較就知道脈衝有多短。光速可以一秒鐘環繞地球7.5次，而在53阿秒內，光線的行進距離不到人類髮絲直徑的千分之一。

將光分解成這樣短的脈衝有非常嚴肅的物理應用。研究人員常增虎說：「這種阿秒級X射線可用於拍攝活細胞中生物分子的電子和原子的慢動作視頻，例如通過更好地了解光合作用如何工作來提高太陽能電池板的效率。」

在原子尺度上，通過將某些測量與通用單元相連接可以容易地進行測量。

時間的原子單位是極短的24阿秒，所以脈衝有助於提高解析度，就像高速相機允許我們記錄更快的事件，如爆炸的氣球或高速的子彈。

以前的記錄是使用將脈衝中的能量限制在大約100電子伏特的過程來完成的。而此次研究人員調整了該過程，以提高光脈衝內的能量，同時仍可使總體爆發相當短暫。

頻譜的能量較高的X射線部分超過124電子伏特的超短脈衝具有明顯的優點。

電子需要吸收了特定的光能量，才能從它們的核周圍的軌道躍遷。

物理學家描述具體能量的一種方法來自於使用X射線進行的實驗。

這種X射線記法是用字母和數字標記軌道，K1為第一，然後為L1，L2，L3，M1等。

達到碳的K軌道是一個里程碑，使得研究人員能夠瞄準最接近碳原子核的電子，並觀察電子的彈球效應。

「阿秒級X射線脈衝的光子能量比以前的阿秒光脈衝高出兩倍，達到了284eV，這樣可以探查和控制核電子動力學，如俄歇效應。」。俄歇效應是原子發射的一個電子導致另一個電子被發射出來的物理現象。

這種能量等級的光線也能讓研究人員發送脈衝通過所謂的水窗。水窗是指軟X射線的波長範圍處在2.34nm與4.4nm之間，前者對應氧原子的K吸收帶，後者對應碳原子的K吸收帶，即X射線光子能量範圍在530eV到280eV間。在此範圍內，水不吸收X射線，即水對X射線是透明的。但是，此範圍內的X射線會被氮原子和其他構成生物機體的元素吸收，因此，該波長可用於對活體生物樣本進行X射線顯微。

美國陸軍研究室的Rich Hammond表示：「這為許多新類型的實驗奠定了基礎，並促進了物理學的發展，能夠比以往任何時候都更好地了解事物。」

先進的技術意味著甚至要考慮最好的原子過程;了解電子在像碳這樣相對複雜的原子中的行為如何可能開闢更多的途徑，來從電子中擠出更多東西並揭示生物學的量子基礎。

這項研究發表在《Nature Communications》。

本文譯自 sciencealert，由譯者 Nivy 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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