对实验的艺术描绘。两种电子发射之间的固有延迟导致了分析数据中的特征椭圆。原则上，椭圆周围单个数据点的位置可以像时钟的指针一样
读取，从而揭示动力学过程的精确时间。资料来源:丹尼尔·海恩斯/ Jörg哈姆斯天富代理分红

 

科学家们用一种新技术大大提高了自由电子激光器的可实现分辨率。

 

硬x射线自由电子激光器(XFELs)已经提供强烈的，超短的x射线脉冲超过十年。XFELs最有前途的应用之一是在生物学领域，研究人员可以在辐射破坏样本之前捕捉到原子级的图像。在物理和化学上，这些x射线也能揭示自然界中最快的过程，快门速度只持续一飞秒——相当于十亿分之一秒的百万分之一秒。

 

然而，在这些极小的时间尺度上，一方面在样品中激发反应的x射线脉冲，另一方面“观察”它的激光脉冲是极其困难的。这个问题称为时间抖动，它是在XFELs上以更短的分辨率执行时间解析实验的主要障碍。天富代理分红

 

现在,一项大型国际研究小组涉及从MPSD合作者,谜底在汉堡,在瑞士保罗谢勒研究所,和其他机构在7个国家已经开发了一个方法来解决这个问题在XFELs和证明其有效性通过测量基本氖气体衰减过程。这项研究已经发表在《自然物理》杂志上。

 

许多生物系统——以及一些非生物系统——在被XFEL的x射线脉冲激发时受到损害。造成破坏的原因之一是被称为俄歇腐蚀的过程。x射线脉冲从样品中喷射出光电子，导致它们被外层的电子所取代。当这些外层电子放松时，它们释放出能量，这些能量随后会引起另一个电子的释放，即俄歇电子。辐射损伤是由强烈的x射线和持续发射的俄歇电子造成的，它可以迅速降解样品。为这种衰变设定时间将有助于在研究不同分子的实验中规避辐射损伤。此外，俄歇衰变是研究奇异的、高激发态物质的关键参数，这只能在XFELs中进行研究。

 

通常，时间抖动似乎妨碍了在XFEL中对如此短的过程进行时间分辨研究。为了避免抖动问题，研究小组提出了一种具有开创性的、高度精确的方法，并用它来绘制俄杰衰变图。这项技术被称为“自我参照阿秒条纹”，它是基于将电子映射成数千张图像，并根据数据中的全球趋势推断出它们发射的时间。“这是令人着迷的看到我们如何提高一项技术，这是最初为表征x射线脉冲在自由电子激光器发现了超快科学实验的新应用，”共同作者Christopher Behrens说，他是DESY闪光光子研究小组的研究员。

他们的方法首次应用时，研究小组使用了氖气，过去已经推断出了衰变时间。在将光电子和俄杰电子暴露在一个外部的“条纹”激光脉冲中之后，研究人员在成千上万的单独测量中确定了它们的最终动能。至关重要的是，在每次测量中，俄杰电子与条纹激光脉冲的相互作用总是比最初移位的光电子稍晚一些，因为它们发射得稍晚。这个恒定的因素构成了这项技术的基础。通过结合如此多的个人观察，该团队能够构建一个详细的物理过程的地图，从而确定了照片和俄歇发射之间的特征时间延迟。

 

主要作者Dan Haynes是MPSD的一名博士生，他说:“自我参照条纹使我们能够以亚飞秒的精度测量氖气体中x射线电离和俄歇辐射之间的延迟，尽管实验期间的时间波动在100飞秒范围内。这就像试图拍摄一场比赛的终点，而相机的快门可能在最后十秒的任何时刻启动。”

 

此外，测量结果表明，在对俄歇衰变的理论描述中，光离化以及随后的弛豫和俄歇衰变必须被视为一个单一的统一过程，而不是一个两步过程。在以前的时间分辨研究中，衰变是以半经典的方式模拟的。

 

然而，在LCLS和一般XFELs的这些测量中出现的条件下，这个模型被发现是不充分的。相反，安德烈·卡赞斯基(Andrey Kazansky)和尼古拉·卡巴克尼克(Nikolay Kabachnik)，