X射线自由电子激光：原理、现状及应用

前所未有的超高亮度XFEL脉冲也使得人们可以对硬X射线波段的非线性过程展开研究并发现了一系列硬X射线波段的非线性光学现象。比如，Glover 等人以钻石作为混频晶体，将8000 eV 和1.5 eV的光子混频得到了能量为8001.5eV的光子，首次观察到了硬X射线波段的混频效应。Shwartz等人观察到了硬X 射线在钻石中的倍频效应。Fuchs 等人发现了反常X射线双光子康普顿效应，即两个X射线光子和一个束缚电子作用产生一个高能光子。

　

图3.氩原子在超短超强X射线脉冲作用下的多光子吸收过程

在凝聚态物理的研究中，Gerber 等人利用飞秒X射线散射方法研究了强磁场下铜氧化物超导体中的条纹相电荷有序态，发现了可能与超导有紧密关系的三维电荷有序态信号，从而解释了以往不同实验中观察到的电荷密度波不同的现象，而且对于建立铜氧化物超导体完整的物理图像有很大的意义。Sellberg 等人对快速冷却过程中的水滴进行X射线相干衍射成像，研究了227K温区的亚稳态液相水及其相变过程。利用超快X射线衍射方法和高能激光冲击波的结合，Milathianaki 等人测量了铜在超高压力下发生在皮秒尺度下的结构弛豫过程。

四、X 射线自由电子激光在化学中的应用

化学键的断裂和形成是发生化学反应的必经过程，过渡态是化学过程中最核心的部分，人们一直希望能够直接观测到过渡态。化学家们发展了一系列技术方法来研究该过程，但这仍然是一个基本而且具有挑战性的科学难题，在很大程度上是由于我们缺乏同时具有足够空间和时间分辨率的方法在原子尺度与飞秒时间尺度上来研究化学反应过程。XFEL的出现从根本上解决了这一难题。X射线由于它固有的短波长特性，因而天然具有原子尺度的空间分辨率。XFEL产生的飞秒X射线脉冲将纳米尺度空间分辨率和飞秒尺度时间分辨率完美地结合在了一起，从而为我们提供了前所未有的技术手段去从本质上研究化学反应过程。

　　

图4.多联吡啶铁配合物电子激发态的超快弛豫动力学过程(该图选用自Nature, 2014,509:345)