近日，德國和瑞典科學(xué)家利用歐洲X射線自由電子激光裝置(XFEL)，通過創(chuàng)新的“光子反沖成像”(Photon-recoil imaging)技術(shù)，研究X射線與原子之間相互作用的基本過程。該方法可以使人們更好地了解原子級的化學(xué)反應(yīng)，將成為探索非線性X射線物理學(xué)的有力工具。

觀察X射線與原子之間相互作用

1921年，愛因斯坦因發(fā)現(xiàn)光的量化，即光子作為光粒子流與物質(zhì)相互作用，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從量子力學(xué)的早期開始，人們就知道光子具有動量。原子對光子的吸收和發(fā)射是光與物質(zhì)相互作用的基本過程。自1960年代以來，強(qiáng)激光束的出現(xiàn)推動了所謂的“非線性光學(xué)”的發(fā)展。于是科學(xué)家們進(jìn)一步研究，用X射線代替可見光來操作非線性光學(xué)系統(tǒng)，即將非線性光學(xué)擴(kuò)展到X射線光譜域。但由于非線性效應(yīng)難以捉摸的性質(zhì)，盡管理論概念數(shù)十年前就已提出，迄今科學(xué)家們?nèi)栽谂?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。隨著2017年位于漢堡的XFEL的投入使用，科學(xué)界朝著這一目標(biāo)更近了一步。

最近，德國柏林馬克斯·波恩非線性光學(xué)和超快光譜研究所(MBI)、瑞典烏普薩拉大學(xué)和位于漢堡的歐洲X射線自由電子激光裝置(XFEL)的研究人員合作開發(fā)出“光子反沖成像”技術(shù)，用來觀察X射線與原子之間相互作用的基本過程。該技術(shù)可以區(qū)分X射線范圍內(nèi)的自發(fā)和受激拉曼散射(SRS)，使得人們幾乎可以對單個(gè)原子上受激拉曼散射進(jìn)行自由地研究。相關(guān)的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

為了測量實(shí)驗(yàn)中激發(fā)原子的散射，研究人員將準(zhǔn)直的氖原子超聲束與XFEL光束成直角相交。當(dāng)X射線光子的能量與氖的俄歇躍遷能量發(fā)生共振時(shí)，瞬態(tài)激發(fā)原子會受到自發(fā)拉曼散射的影響。優(yōu)化X射線的強(qiáng)度和光子能量，則瞬態(tài)激發(fā)原子在自發(fā)衰減之前會與另一個(gè)具有適當(dāng)光子能量的XFEL光子相互作用，產(chǎn)生受激拉曼散射，并沿入射光子的方向發(fā)射光子。此過程需要來自X射線的兩個(gè)光子，因此是非線性的。由受激拉曼散射引起的激發(fā)原子基本上不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在檢測器上顯示為一條銳利的直線。

有望更好地了解原子級化學(xué)反應(yīng)

論文第一作者，柏林馬克斯·波恩研究所的烏利·艾希曼教授解釋說，在受激拉曼散射過程中，兩個(gè)光子沿與兩個(gè)入射光子完全相同的方向離開原子，原子不改變其動量，也不改變其飛行方向。這與更頻繁的線性過程截然不同。在線性過程中，首先吸收一個(gè)光子，然后發(fā)射另一個(gè)光子。由于發(fā)射的光子通常以不同的方向發(fā)送，因此原子發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過觀察原子的飛行方向，研究人員能夠清楚地將X射線激發(fā)的拉曼過程與其他過程區(qū)分開。

XFEL的邁克爾·邁耶博士解釋說：“如果將來我們將新方法與不同波長的X射線脈沖一起使用，就會帶來特殊的可能性。”具有不同波長的X射線脈沖可以專門處理分子中的單個(gè)原子，因此可以詳細(xì)了解分子中電子的波函數(shù)隨時(shí)間變化的方式。這為研究非線性X射線過程建立了非常有前途的分析技術(shù)。

長遠(yuǎn)來看，科學(xué)家們還希望借助定制的激光脈沖對其產(chǎn)生影響。烏普薩拉大學(xué)的賈恩-埃里克·魯本森教授說：“我們的方法有望使人們更好地了解原子級的化學(xué)反應(yīng)，將來甚至可能影響它們。”

關(guān)鍵詞： 光子反沖成像