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带有X射线的原子台球:一种观察分子内部的新方法

X射线 X射线脉冲 欧洲XFEL 原子
发布:2020-12-23 11:36:30    

那些已经与两个光子相互作用的原子同时以一条线(水平,绿色)撞击检测器。相反,已吸收一个光子并随后发射另一个光子的原子则散布在更大的区域上。图片来源:Stefan Eisebitt /马克斯博恩研究所

1921年,阿尔伯特·爱因斯坦因发现光被量化,并与被称为光子的粒子流相互作用而与物质相互作用,从而获得了诺贝尔物理学奖。自从量子力学出现以来,物理学家就知道光子也具有动量。Max Born研究所,Uppsala大学和欧洲X射线自由电子激光设备的科学家们以新颖的方式利用了光子传递动量的能力,以观察X射线与原子相互作用的基本过程。详细的实验和理论结果在《科学》杂志上有所报道。

原子吸收和发射光子是光与物质相互作用的基本过程。很少有几个光子同时与一个原子相互作用的过程。自1960年代以来,高强度激光束的出现导致了用于观察和利用此类过程的非线性光学器件的发展。

如果可以使用带有X射线的非线性光学器件代替可见光,则将出现全新的可能性。X射线的超短闪光的使用可以详细了解分子和固体中电子和原子核的运动。这种观点是导致在多个国家中构建基于粒子加速器的X射线激光器的驱动力之一。当欧洲XFEL X射线自由电子激光器于2017年开始运行时,科学界朝着这个方向迈出了重要一步。然而,使用非线性X射线过程研究与物质的基本相互作用的进展比预期的要慢。“通常,更强大的线性过程会遮盖有趣的非线性过程,”马克斯·伯恩研究所(Max Born Institute)的Ulli Eichmann教授说。柏林的非线性光学和短脉冲光谱学。

德国瑞典研究团队现已展示了一种观察非线性过程而不受线性过程干扰的新方法。为此,研究小组利用了在X射线和原子之间传递的动量。当将超音速原子束与X射线束相交时,他们可以识别出经历了所谓的受激拉曼散射过程的那些原子,这是一个基本的非线性过程,其中两个不同波长的光子撞击一个原子,两个较长波长的光子撞击离开原子。结果发表在《科学》杂志上。

Eichmann解释说:“光子将动量转移到原子上,完全类似于撞球撞到另一个原子上。” 在受激拉曼过程中,两个光子都以与两个入射光子完全相同的方向离开原子,因此原子的动量及其飞行方向基本上保持不变。更为频繁的线性过程(其中一个光子被吸收,然后另一个光子被发射)具有不同的特征:由于发射的光子通常以不同的方向发射,因此原子将发生偏转。通过观察原子的方向,科学家可以清楚地区分受激拉曼过程与其他过程。

“这种新方法为将来与两个不同波长的延时X射线脉冲组合提供了独特的可能性。这种脉冲模式最近已在诸如欧洲XFEL的X射线激光器上使用,”研究人员Michael Meyer博士解释说。在欧洲XFEL。

由于具有不同波长的X射线脉冲使研究人员可以专门研究分子中的特定原子,因此可以详细观察分子中电子的波函数如何随时间演化。从长远来看,科学家们不仅希望观察这种演变,而且希望通过定制的激光脉冲来影响它。“我们的方法可以更好地理解原子尺度上的化学反应,并可能有助于将反应引导到所需的方向。电子的移动是发生化学和光化学反应(例如在电池和太阳能电池中)的必不可少的步骤,我们的方法也可能在此类过程中提供新的见解。”乌普萨拉大学教授Jan-Erik Rubensson说道。

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