能夠產生快速X射線的桌面式激光器

現在，研究電子在有機材料中的瞬時性短暫行為將變得更加容易，這主要歸功于一種可用于產生快速X射線的新方法。

這項技術意味著世界各地的物理實驗室現在可以進行快速反應的高級測量，而無需等待使用昂貴且稀缺的設備。例如，它可以用來研究和改進太陽能電池板和水電離器中的聚光技術。

當超出紫外線范圍的“軟”X射線照射到一個物體時，它們會被一些特定的原子強烈吸收。特別值得注意的是，水對這些X射線是透明的，但是，碳原子卻能夠吸收它們，這使得它們可用于對有機物和生物材料進行成像。

然而，生成非常快速的軟X射線一直是一個技術挑戰。創造只有百萬分之一秒的X射線脈沖才能讓研究人員對電子極快的運動進行成像，這對確定電荷是如何傳播和發生反應的至關重要。

快速軟X射線已經可以利用大型設備進行生成，例如價值數十億美元的自由電子激光器，但現在來自倫敦帝國理工學院的一個研究小組利用標準實驗室激光器就產生了快速而強大的快速軟X射線脈沖。該方法可以產生持續數百阿托秒的明亮軟X射線脈沖。該研究小組已經將其研究成果發表在《Science Advance》（科學進展）雜志上。

利用這項新技術，研究人員將能夠觀察到電子在自然時間維度上的移動，為他們提供動態的zui小和zui快反應步驟的圖像。

來自倫敦帝國理工學院物理系的Jon Marangos教授說道：“這項技術的優勢在于，它可以被世界上許多物理實驗室已經安裝的激光器采用。這一發現將使我們能夠首次在一些極端時間尺度上進行測量。就這些測量而言，我們現在正處于技術的前沿，能夠看到對科學和技術重要的、更快速的一些過程”。

在實驗室中生成X射線需要激發原子，直到它們釋放出光子——光粒子。通常情況下，漫長而分散的原子會依次激發，以便它們以“相位”發射出光子，這意味著它們會疊加并產生更強的X射線脈沖。這就是所謂的相位匹配。但是當試圖通過這種方式產生軟X射線時，原子云中的一些物理效應會強烈地使激光散焦，擾亂相位匹配。

相反，該團隊發現他們需要一層薄而致密的原子云和較短的激光脈沖。通過這種設置，雖然光子不能長時間保持相位，但它們仍然在較短距離和短時間內保持同相。這就導致了軟x射線脈沖的意外高效產生。

該團隊進一步測量并模擬了在這種情況下導致高次諧波產生的確切效應，并期望據此可以預測并創建一系列適合X射線的zui佳激發條件。

倫敦帝國理工學院物理系首席研究員艾倫約翰遜說：“我們已經設法研究了之前生成軟X射線的技術，并利用這些信息構建了一臺X射線激光器，一個可以與足球場大小般設備競爭的桌面型機器。在這當中，我們深刻體會到了知識確實是一種力量”。

帝國理工學院的研究團隊還計劃使用該技術去研究一些有機聚合物材料，特別是那些吸收太陽光線以產生能量或分解水分的材料。這些材料目前正處于緊張研究中，因為它們可以提供更干凈、便宜的可再生能源。

然而，由于受光激發電子的作用，許多當前使用的材料性能并不穩定或效率低下。對這些電子的快速相互作用進行深入研究可以為改進太陽能電池和催化劑等材料提供巨大的理論指導意義。