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能夠產(chǎn)生快速X射線(xiàn)的桌面式激光器

2018-7-5 12:35:21??????點(diǎn)擊：
水窗諧波的產(chǎn)生與表征
圖片來(lái)源：Advances (2018). advances.sciencemag.org/content/4/5/eaar3761
 
現在，研究電子在有機材料中的瞬時(shí)性短暫行為將變得更加容易，這主要歸功于一種可用于產(chǎn)生快速X射線(xiàn)的新方法。

這項技術(shù)意味著(zhù)世界各地的物理實(shí)驗室現在可以進(jìn)行快速反應的高級測量，而無(wú)需等待使用昂貴且稀缺的設備。例如，它可以用來(lái)研究和改進(jìn)太陽(yáng)能電池板和水電離器中的聚光技術(shù)。

當超出紫外線(xiàn)范圍的“軟”X射線(xiàn)照射到一個(gè)物體時(shí)，它們會(huì )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(xiàn)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(jìn)行成像。

然而，生成非?？焖俚能沊射線(xiàn)一直是一個(gè)技術(shù)挑戰。創(chuàng )造只有百萬(wàn)分之一秒的X射線(xiàn)脈沖才能讓研究人員對電子極快的運動(dòng)進(jìn)行成像，這對確定電荷是如何傳播和發(fā)生反應的至關(guān)重要。

快速軟X射線(xiàn)已經(jīng)可以利用大型設備進(jìn)行生成，例如價(jià)值數十億美元的自由電子激光器，但現在來(lái)自倫敦帝國理工學(xué)院的一個(gè)研究小組利用標準實(shí)驗室激光器就產(chǎn)生了快速而強大的快速軟X射線(xiàn)脈沖。該方法可以產(chǎn)生持續數百阿托秒的明亮軟X射線(xiàn)脈沖。該研究小組已經(jīng)將其研究成果發(fā)表在《Science Advance》（科學(xué)進(jìn)展）雜志上。

利用這項新技術(shù)，研究人員將能夠觀(guān)察到電子在自然時(shí)間維度上的移動(dòng)，為他們提供動(dòng)態(tài)的最小和最快反應步驟的圖像。

來(lái)自倫敦帝國理工學(xué)院物理系的Jon Marangos教授說(shuō)道：“這項技術(shù)的優(yōu)勢在于，它可以被世界上許多物理實(shí)驗室已經(jīng)安裝的激光器采用。這一發(fā)現將使我們能夠首次在一些極端時(shí)間尺度上進(jìn)行測量。就這些測量而言，我們現在正處于技術(shù)的前沿，能夠看到對科學(xué)和技術(shù)重要的、更快速的一些過(guò)程”。

在實(shí)驗室中生成X射線(xiàn)需要激發(fā)原子，直到它們釋放出光子——光粒子。通常情況下，漫長(cháng)而分散的原子會(huì )依次激發(fā)，以便它們以“相位”發(fā)射出光子，這意味著(zhù)它們會(huì )疊加并產(chǎn)生更強的X射線(xiàn)脈沖。這就是所謂的相位匹配。但是當試圖通過(guò)這種方式產(chǎn)生軟X射線(xiàn)時(shí)，原子云中的一些物理效應會(huì )強烈地使激光散焦，擾亂相位匹配。

相反，該團隊發(fā)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(guò)這種設置，雖然光子不能長(cháng)時(shí)間保持相位，但它們仍然在較短距離和短時(shí)間內保持同相。這就導致了軟x射線(xiàn)脈沖的意外高效產(chǎn)生。

該團隊進(jìn)一步測量并模擬了在這種情況下導致高次諧波產(chǎn)生的確切效應，并期望據此可以預測并創(chuàng )建一系列適合X射線(xiàn)的最佳激發(fā)條件。

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

帝國理工學(xué)院的研究團隊還計劃使用該技術(shù)去研究一些有機聚合物材料，特別是那些吸收太陽(yáng)光線(xiàn)以產(chǎn)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(fā)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(jìn)行深入研究可以為改進(jìn)太陽(yáng)能電池和催化劑等材料提供巨大的理論指導意義。
 
 
譯者：Vince
譯自：phys
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