用不到百万分之一秒长的X射线脉冲追踪量子物质状态下的电子运动
不到十亿分之一秒长的阿托秒X射线脉冲使研究人员能够深入分子内部，跟踪电子的移动并最终启动化学反应。能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们在2018年设计了一种方法，以产生持续数百阿托秒（或十亿分之一秒）的X射线激光爆发。这项技术被称为X射线激光增强的阿托秒脉冲生成（XLEAP），使研究人员能够研究电子如何在分子上竞赛，启动生物学、化学、材料科学和其他领域的关键过程。
"电子运动是一个重要的过程，自然界可以通过它来移动能量，"SLAC科学家James Cryan说。"一个电荷在分子的一个部分产生，并转移到分子的另一个部分，可能会启动一个化学反应。当你开始考虑用于人工光合作用的光伏设备，或分子内部的电荷转移时，这是一个难以绕开的难题。"
现在，SLAC的林肯相干光源（LCLS）的研究人员利用阿托秒脉冲使分子中的电子发生震荡，以创造一个激发的量子态，并以前所未有的细节测量电子在这种状态下的行为。这些发现最近发表在《科学》杂志上。
领导XLEAP项目的SLAC科学家Agostino Marinelli说："XLEAP使我们能够深入分子内部，在其自然时间尺度上跟踪电子运动。这可以让我们深入了解许多重要的量子力学现象，在这些现象中，电子通常发挥着关键作用。"
阿秒脉冲是在像LCLS这样的X射线自由电子激光器上产生的最短脉冲。XLEAP项目的独特成就是在正确的波长下产生阿托秒脉冲，以观察最重要的小原子内部，如碳、氮和氧。就像具有超快快门速度的照相机一样，XLEAP脉冲可以在极快的时间尺度上捕捉到电子的运动和其他运动，这在以前是无法解决的。
在这个实验中，研究人员用X射线脉冲撞击一氧化氮分子，将电子从其正常位置撞到了一个高度活跃的电子云。他们用一个圆偏振激光器创建了一个超快的时钟，以测量接下来发生的事情。电子云通过吐出快速电子而衰变，这些电子在落到探测器上之前被激光场带动旋转着。电子落在检测器上的位置帮助研究人员弄清了电子云如何变化。他们看到电子云在短短几百万分之一秒的时间内以独特的量子方式移动。
当X射线脉冲与物质相互作用时，它们可以将样品中一些结合最紧密的核心电子提升到高能状态，即所谓的核心激发状态。由于它们的能量如此之高，核心激发态是极其不稳定的，通常会以快速电子的形式释放能量，即所谓的奥格-迈特纳电子，从而迅速衰变。这一现象在历史上被称为奥格衰变，但最近科学家们选择加上首次观察到这一现象的莉斯-迈特纳的名字，以表彰她对现代原子物理学的广泛贡献。
在他们的研究中，研究人员精确地调整了来自LCLS的X射线的波长，以创造一种被称为相干叠加的物质量子状态，这是物质的波浪性质的一种表现。类似于薛定谔的猫，它发现自己在同一时间既死又活，受激电子同时处于不同的核心受激状态，这意味着它们同时沿着不同的轨迹在分子上运行。
为了跟踪这种核激发状态的连贯叠加是如何随时间展开的，研究人员创造了一个被称为"阿托克洛克"的超快时钟，其中来自圆偏振激光脉冲的快速旋转电场充当了时钟指针。在核心激发态衰变过程中释放的奥格-迈特纳电子在落到探测器上之前被圆偏振激光脉冲旋转。一个电子落在探测器上的位置告诉研究人员它从分子中被弹出的时间。通过测量许多奥杰-迈特纳电子的弹射时间，研究人员能够以仅仅几百阿托秒的时间分辨率建立起一幅相干叠加状态如何变化的图片。
"这是我们第一次能够跟踪这一特殊现象并直接测量电子发射的速率，"SLAC科学家和主要作者Li Siqi说。"我们的技术使我们超越了仅仅看到这一过程的发生，并使我们能够窥视分子中发生的错综复杂的电子行为，这些行为发生在几百万分之一秒的时间内。它为我们提供了一个非常好的方法来观察分子内部，并看到在非常快的时间尺度上发生了什么。"
为了跟进这项实验，研究人员正在研究更复杂的量子行为的新测量方法。"在这个实验中，我们正在研究一个非常简单的模型的电子行为，你几乎可以用铅笔和纸来解决，"SLAC科学家和联合主要作者Taran Driver说。"现在我们已经证明我们可以进行这些超快的测量，下一步是研究理论尚不能准确描述的更复杂的现象。"
Cryan说："在越来越快的时间尺度上进行测量的能力是令人兴奋的，因为在一个化学反应中最先发生的事情可能是理解后来发生的事情的关键。这项研究是这些超短X射线脉冲的首次时间分辨应用，使我们离做真正令人兴奋的事情更近了一步，比如实时观察量子现象的演变。它有希望成为一种世界领先的能力，许多人在未来几年都会对此感兴趣。"
LCLS是美国能源部科学办公室的一个用户设施。这项研究是来自SLAC、斯坦福大学、伦敦帝国学院和其他机构的研究人员之间合作的一部分。它得到了科学办公室的支持。
