科学家发明了一种方法，以观察首次驱动化学反应的电子的最快运动

一个由SLAC领导的团队发明了一种称为XLEAP的方法，该方法可以产生强大的低能量X射线激光脉冲，脉冲强度仅为280阿秒，即十亿分之一秒的十亿分之一秒，而且这是第一次可以最快地揭示出驱动化学反应的电子运动。下图显示了科学家如何使用一系列磁铁将SLAC直线加速器相干光源上的电子束（左侧的蓝色形状）转换为狭窄的电流尖峰（右侧的蓝色形状），然后产生非常强的阿秒X射线闪烁（黄色）。

科学家发明了一种用X射线激光观察亚秒电子运动的方法。SLAC开发的新方法称为XLEAP，它将提供化学过程中电子的清晰视点，这些化学过程发生在十亿分之一秒的十亿分之一秒之内，并驱动着生命的关键方面。

能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员发明了一种方法，可以通过仅280阿秒（即十亿分之一秒的十亿分之一秒）的强大X射线激光脉冲来观察电子的运动。

这项名为X射线激光增强阿秒脉冲发生（XLEAP）的技术是科学家多年来一直在努力的一项重大进步，它为突破性研究铺平了道路，该研究围绕分子加速的电子如何引发生物学中的关键过程，化学，材料科学等。

该团队于2019年12月2日在《自然光子学》（Nature Photonics）中的一篇文章中介绍了他们的方法。

SLAC科学家詹姆斯·克莱恩（James Cryan）说：“直到现在，我们仍可以精确地观察到原子核的运动，但实际上驱动化学反应的更快的电子运动却被模糊了。”斯坦福大学脉冲研究中心的研究人员，SLAC科学家詹姆斯·克里安（James Cryan）说。 ，是SLAC和斯坦福大学的联合研究所。“随着这一进步，我们将能够使用X射线激光来观察电子如何运动以及如何为随后的化学反应奠定基础。它推动了超快科学的前沿。”

对这些时间尺度的研究可以揭示，例如，光合作用过程中的光吸收几乎是如何瞬间将电子推向周围，并引发一系列更慢的事件，最终产生氧气。

SLAC科学家，XLEAP项目负责人，论文的主要作者之一阿古斯蒂诺·马林内利（Agostino Marinelli）说：“借助XLEAP，我们可以以合适的能量创建X射线脉冲，其亮度比以前的类似能量的阿秒脉冲高出一百万倍。”“这使我们能够执行人们一直想用X射线激光进行的许多事情-现在也可以达到十亿分之一秒的时间尺度。”

超快速X射线科学的飞跃

一秒是一个非常短的时间段–一秒等于一秒，一秒钟等于宇宙的寿命。近年来，科学家在创建亚秒级X射线脉冲方面取得了许多进展。但是，这些脉冲要么太弱，要么没有足够的能量来快速电子运动。

在过去三年中，Marinelli和他的同事一直在研究14年前建议的X射线激光方法如何用于产生具有正确特性的脉冲-这项工作导致了XLEAP。

在机组人员开始对SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）X射线激光器进行重大升级之前进行的实验中，XLEAP团队证明，他们可以产生精确定时的亚秒级X射线脉冲，这些脉冲可以使电子运动并产生电子。然后记录下这些动作。可以将这些快照组合成定格电影。

SLAC的Linac相干光源（LCLS）X射线激光器上的XLEAP实验示意图。LCLS通过波状起伏的磁体发送一束高能电子（绿色），其中电子能量被转换成几飞秒（即十亿分之一秒的百万分之一）的非常明亮的X射线脉冲（蓝色）。在XLEAP配置中，电子束通过另外两组磁体（摇摆器和斜角）使每个电子束成形为一个强烈的，狭窄的尖峰，其中包含具有广泛能量的电子。尖峰然后在波荡器中产生阿秒的X射线脉冲。XLEAP团队还开发了定制的脉冲分析仪（右），用于测量极短的脉冲长度。

美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的X射线科学专家Linda Young并未参与这项研究。他说：“ XLEAP确实是一大进步。它具有无与伦比的强度和灵活性的阿秒X射线脉冲，是观察和控制复杂系统中单个原子位点电子运动的突破性工具。”

像LCLS这样的X射线激光器通常会产生持续十亿分之一秒（即十亿分之一秒）的飞秒的闪光。该过程从创建电子束开始，电子束被束成短束并通过线性粒子加速器发送，在此处它们获得能量。它们以几乎光速行进，穿过称为起伏器的磁铁，其中一些能量被转换为X射线猝发。

电子束越短越亮，它们产生的X射线爆发越短，因此一种用于产生亚秒级X射线脉冲的方法是将电子压缩成越来越高的峰值亮度的电子束。XLEAP是做到这一点的聪明方法。

发出亚秒级的X射线激光脉冲

在LCLS上，研究小组在波荡器的前面插入了两组磁铁，使它们能够将每个电子束塑造成所需的形状：一个强烈而狭窄的尖峰，其中包含具有广泛能量的电子。

SLAC的科学家，论文的第一作者，作者之一约瑟夫·杜里斯（Joseph Duris）说：“当我们通过波荡器发送脉冲长度约为飞秒的这些尖峰时，它们产生的X射线脉冲要短得多。”他说，这些脉冲也非常强大，其中一些脉冲的峰值功率达到了半兆瓦。

为了测量这些难以置信的短X射线脉冲，科学家设计了一种特殊的设备，其中X射线穿过一种气体，并剥离一些电子，从而形成电子云。来自红外激光器的圆偏振光与云相互作用，并为电子提供了一个踢脚。由于光的特定极化，某些电子最终运动得比其他电子快。

“这项技术的工作原理类似于LCLS所实现的另一种想法，该想法将时间映射到像钟表一样的角度上，”论文的第一作者，现任斯坦福大学博士学位的李思奇（Siqi Li）说。“它使我们能够测量电子速度和方向的分布，并由此可以计算X射线脉冲长度。”

接下来，XLEAP团队将进一步优化他们的方法，这可能导致更强烈甚至更短的脉冲。他们还为LCLS-II（LCLS的升级）做准备，LCLS的升级将每秒发射多达一百万个X射线脉冲，比以前快8,000倍。这将使研究人员能够进行他们梦long以求的实验，例如研究单个分子及其在自然界最快的时标上的行为。

参考：Joseph Duris，Siqi Li，Taran Driver，Elio G.Champenois，James P.MacArthur，Alberto A.Lutman，Zhang Zhang，Philipp Rosenberger，“自由电子激光器产生的千兆瓦峰值功率的可调谐孤立的秒级X射线脉冲” Jeff W.Aldrich，Ryan Coffee，Giacomo Coslovich，Franz-Josef Decker，James M.Glownia，Gregor Hartmann，Wolfram Helml，Andrei Kamalov，Jonas Knurr，Jacek Krzywinski，Ming-Fu Lin，Jon P.纳坦（Natan），约旦（O.Neal），奥尼尔（N. P.Cryan和Agostino Marinelli，2019年12月2日，自然光子学。
10.1038 / s41566-019-0549-5

XLEAP团队包括来自SLAC的研究人员；斯坦福大学;英国帝国理工学院；马克斯·普朗克量子光学研究所，路德维希·马克西米利安斯大学慕尼黑，卡塞尔大学，多特蒙德技术大学和德国慕尼黑技术大学；和美国能源部的阿贡国家实验室。该项目的很大一部分由美国能源部科学办公室和美国能源部的实验室指导研究与开发（LDRD）计划资助。LCLS是美国能源部科学办公室的用户设施。