借助特殊光束光学系统，欧洲X射线自由电子激光装置的相对论电子(蓝色云)被强烈压缩(中间的亮线)。这导致在阿秒时间尺度上产生非常明亮、高功率的 X 射线脉冲。图片来源：欧洲X射线自由电子激光装置

据《自然·光子学》25日报道，欧洲X射线自由电子激光装置(XFEL)和德国电子同步加速器研究中心团队在X射线科学领域取得了重大突破。他们成功生成了前所未有的高功率、阿秒级硬X射线脉冲，且重复频率达到了兆赫兹级别，为超快电子动力学研究开辟了新领域。

此次团队展示了单尖峰硬X射线脉冲，其脉冲能量超过100微焦耳，脉冲持续时间仅为几百阿秒(1阿秒=10-18秒)。这一时间尺度使科学家能够捕捉到物质中最快的电子运动。

团队表示，这些高功率阿秒X射线脉冲可能为原子尺度物质的研究开辟新途径。科学家可以对结构和电子特性进行真正的无损测量。这也为阿秒晶体学等高级研究铺平了道路，使科学家能够观察真实空间中的电子动力学。

传统方法生成这种超短硬X射线脉冲需要将电子束电荷大幅降低至几十皮库仑，这限制了脉冲能量和实际应用。鉴于此，团队开发了一种自啁啾方法。利用XFEL的电子束集体效应和专用束流传输系统，这种方法能够在不减少电子束电荷的情况下，产生太瓦级峰值功率和兆赫兹重复频率的阿秒X射线脉冲。

通过将超短脉冲与兆赫兹重复频率相结合，人们现在可以更快地收集数据，并观察到以前无法观察到的过程。这一进展有望改变多个科学领域的研究，尤其是蛋白质分子和材料的原子尺度成像，以及非线性X射线现象的研究。