X射线：超越诺贝尔奖极限
能量存在上限，取决于照射到原子上的激光束的性质。超过某一特定值——即所谓的能量截止值——几乎不会再产生X射线。
 当某些原子受到激光照射时，它们可以产生一种截然不同的激光：频率极高的X射线波段激光脉冲。这些激光脉冲曾助力20世纪90年代在维也纳工业大学取得破纪录的成果，也是2023年诺贝尔物理学奖的研究对象。然而，该效应的理论模型给出了一个明确预言：能量存在上限，取决于照射到原子上的激光束的性质。超过某一特定值——即所谓的能量截止值——几乎不会再产生X射线。 但现在，由维也纳工业大学和加州大学圣迭戈分校团队联合开展的一项新实验，成功突破了这一教科书式的截止规则：研究人员利用氦原子，达到了远超标准理论所允许的能量范围。原因在于氦原子中两个电子之间的相互作用：它们可以同时释放能量。 该效应现已发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）期刊上。  氦原子被激光照射 将电子从原子中剥离 维也纳工业大学光子学研究所的Tenio Popmintchev教授说：“产生短X射线脉冲的机制早已为人所熟知。激光将一个电子从原子中剥离。随后，该电子在激光电场中被加速，直到最终再次与原子碰撞。它在这一过程中损失的能量以光的形式发射出来。”这会产生激光脉冲，其频率远高于最初照射到原子上的激光。 诺贝尔奖得主费伦茨·克劳斯在20世纪90年代正是利用了这一效应。如今，特尼奥·波普明切夫及其团队正是在克劳斯当时工作的同一研究所开展研究，而他们的成果已大大超越了当时的可能。 Tenio Popmintchev团队在维也纳工业大学的博士后研究员Dimitar Popmintchev说：“可以证明，当电子回到其原子时，会以大致相等的强度产生一系列不同频率的辐射，但存在一个上限。超过这一上限的频率会弱得多；根本不可能超过某个最大频率。” 两个电子胜过一个 但如果不是一个电子参与，而是两个电子参与，会发生什么？Tenio Popmintchev的团队使用了强紫外激光和氦原子，氦原子中可以被逐个剥离两个电子。第一个电子先被释放并加速，随后是第二个。然而，这两个电子并非彼此独立：它们在量子力学上是相互关联的。 Dimitar Popmintchev说：“利用紫外驱动脉冲，我们可以让两个电子在完全相同的时刻返回原子，两个电子的能量随后一次性全部释放出来。当可用能量更多时，也就能够产生单个能量更高、频率也更高的X射线光子。” 该团队通过实验发现了这些非常高的X射线频率。在测得的相干光谱中，在远高于此前已知范围的位置出现了第二个较弱的平台，其光子能量显著更高。 这种现象只在氦原子中观察到——氦是一种电子关联极强的元素。氩原子和氖原子的价电子并未表现出这种行为，这进一步证明氦原子中两个电子之间的特殊相互作用至关重要。 这种新型相干X射线辐射作为电子-电子关联的新型光谱传感器尤其令人感兴趣。其形状、能量极限以及对激光偏振的依赖，能够提供关于两个电子如何在阿秒时间尺度上相互作用的信息。 从长远来看，这一原理还可以推广到分子或强关联固体。高次谐波产生曾为阿秒物理学铺平道路，如今其本身正成为探测量子多体过程的工具；而这些过程对量子计算和功能性先进纳米材料的设计至关重要。 相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-026-01976-2 |
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