阿托秒现象世界的新窗口

阿托秒现象可以用自由电子激光器（如SwissFEL）进行研究（照片显示了其研究站Alvra）。X射线计时术分析了激光脉冲与样品相互作用之前和之后的形状，可以提供这些现象的最准确图像。图片来源：IFJ PAN / Paul Scherrer Institut / SwissFEL Alvra

它们无处不在，在我们周围和我们里面。持续万亿分之一秒的现象构成了化学和生物学的核心。直到最近，我们才开始试图准确地记录他们的实际情况，并取得了一定的成功。然而，克拉科夫的物理学家已经证明，可以建立通往物理学世界的新窗口，从而提供了一个非常有前途的观点。

无论是在细胞的深处还是在试管内，涉及原子和分子中电子结构变化的化学反应都以惊人的速度发生。它们的流行和重要性引起了科学家可以理解的好奇心，他们长期以来一直试图及时记录它们的进化。目前使用X射线的方法，迄今为止开发用于观察持续阿托秒（即万亿分之一秒）的现象，对所用辐射束的参数提出了很高的要求。由于克拉科夫波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）的一组科学家提出的一种新的测量方法，这种情况在未来几年可能会有所改善。

现在，跟踪现象的过程与原子与分子键合一样快，这在很大程度上要归功于X射线自由电子激光器（XFEL）。由于尺寸和建造成本，这些设备仅在世界上少数几个地方运行，产生超短的X射线脉冲，仅持续几飞秒（即台球一秒钟）。

配备XFEL激光器的中心使用两种基本测量技术，称为X射线光谱和X射线衍射。前者侧重于分析辐射光谱在与样品相互作用过程中的变化，而后者则研究X射线如何在样品上散射。这两种方法具有相同的局限性：它们不允许我们“看到”比脉冲持续时间短的过程。这就是为什么迄今为止在汉堡附近的欧洲XFEL激光器上观察到的最快的现象持续了5飞秒。

“几飞秒不是很长，但这仍然不是物理学的世界。为了达到这个目的，我们转向了时间学，即一种分析脉冲如何随时间变化形状的技术。我们已经从理论上证明，这种方法可以成功地用于超短X射线脉冲，以获取有关与样品相互作用之前和之后脉冲形状变化的信息，“Wojciech Blachucki博士（IFJ PAN）说，他是该论文的第一作者。

在该出版物中，表明在超短激光脉冲的情况下，可以测量它们的时间结构，即获得有关脉冲形状的信息。这种方法使得即使在XFEL的技术发展的当前状态下，也可以从物理学界推断出现象。如果激光脉冲甚至持续20飞秒，但有关其时间结构的信息可以在100个点中重建，那么就有可能注意到在20/100 = 1/5飞秒（即200阿托秒）的时间发生的现象。

值得注意的是，目前，有时可以达到小于一飞秒的时间分辨率，但激光束的强度必须显着降低。这个过程有强大的副作用。样品的照射时间延长到许多小时，这在实践中使得无法进行应用研究。X射线计时学没有这种限制，通过使用测量其时间结构的灵敏方法消除了对辐射脉冲的要求。实施后，目前的激光中心可以将部分工作时间用于为外部实体（例如与工业相关的实体）执行的阿托秒测量。

然而，X射线计时术成为一种标准研究技术还需要几年的时间。实现它的第一步将是证明激光脉冲在与样品相互作用之前和之后的平均持续时间是不同的。这将是对克拉科夫物理学家所描述的方法的正确性的实验证实。只有在下一阶段，研究人员才会专注于更精确地重建与样品接触之前和之后的脉冲时间结构。

“我们提出的测量技术不仅限于自由电子激光器，而且本质上是通用的。因此，它也可以成功地用于产生超短X射线脉冲的其他来源，例如位于布拉格附近的极端光基础设施设施，“Jakub Szlachetko博士（IFJ PAN）强调说。