SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

阿秒是十億分之一秒中的十億分之一。每秒的阿秒數比當前宇宙時代的秒數還要多。

但是，現在可以產生X射線脈沖，其時間尺度可以用阿秒來測量。如此短的脈沖使科學家能夠在野外拍攝亞原子粒子的快照。

今年早些時候，科學家們利用這種方法對在液態水中移動的電子進行成像，成為頭條新聞。隨著這項技術的不斷進步，科學家們可能能夠利用它來觀察電子在許多其他種類的分子中的運動，從而推動化學、生物學和任何其他研究分子行為的科學領域。

據悉，研究使用的工具是X射線自由電子激光器（XFEL，X-ray free electron laser），如加利福尼亞州SLAC國家加速器實驗室最近升級的直線加速器相干光源（LCLS，Linac Coherent Light Source），它會劇烈波動電子，使其發出強烈的X射線束。把這些光束壓縮成足夠短的脈沖，你就有了成像介質。

為了使用FEL進行電子觀測，科學家通常使用一種稱為泵浦探針法（pump-probe）的技術。科學家們首先用一個脈沖激勵目標來“泵浦”它，然后用第二個脈沖“探測”它，使科學家能夠觀察目標。如果第二個脈沖在足夠短的時間內到達，科學家們就可以在X射線損傷目標之前有足夠的時間觀察亞原子粒子的量子榮耀。

在過去的十年里，激光科學家們穩步實現了越來越短的脈沖。在最近發表的一篇論文中，LCLS的實驗人員將時間縮短到了270阿秒。SLAC的粒子加速器物理學家Agostino Marinelli說：“這只是一個很好的、簡單的實驗，可以衡量我們的泵浦探針能力。”

SLAC的高級科學家James Cryan說：“當我們推進到阿秒時，我們真正想看到的是電子是如何在分子系統內部移動的。電子是如何運動的？它們是如何相互作用的？”

LCLS并不是世界上唯一的FEL——意大利的FERMI和德國的European XFEL也在進行阿秒脈沖實驗——但它具有同類中最高的能力。在LCLS，Marinelli、Cryan和他們的同事在阿秒時間尺度上使用了這種泵浦探針技術來成像在液態水中移動的電子。

SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY

該實驗不僅僅是一個基礎科學噱頭，它還幫助研究人員研究電離輻射在液態水中傳播時實際會發生什么。事實上，該實驗是美國能源部項目的一部分，該項目旨在更好地了解儲存在水中的核廢料的行為。接下來，SLAC的科學家們希望將其他物質溶解在水中，并觀察這是如何改變電子行為的。

其他種類的分子是FEL探測的成熟素材。以苯為例：一種相當簡單的分子，基于排列在六邊形環中的六個碳原子。科學家可以通過用其他原子的官能團增加一個或多個碳原子來修飾環。然后，他們可以激發一個官能團，比如說，并觀察波紋效應在分子的其他部分傳播。

阿秒脈沖首先使這樣的實驗成為可能。Cryan說，最終，科學家們可能能夠推進這項技術，以了解電子在更復雜的分子（如蛋白質）中的行為。

不久前，產生阿秒脈沖的能力還很新穎，為其創造者贏得了2023年諾貝爾物理學獎。Marinelli說，現在，這個仍然年輕的領域開始作為一種研究手段蓬勃發展。“每次你打開一條新的研究線，它就會分叉，”他說，“它產生了許多新的研究領域，這就是現在正在發生的事情。”