阿秒脈衝揭示了分子中的電子波紋

美國能源部SLAC國家加速器實驗室和史丹福大學的科學家領導的研究小組，第一個利用新技術產生強大的阿秒X射線雷射脈衝的實驗表明，可以在分子中產生稱為「脈衝拉曼散射」的電子波紋。

阿秒（attosecond），為 10-^18 秒。如果將一阿秒當成一秒，那麼一秒就相當於 317.1 億年，約為宇宙年齡的兩倍。

X射線雷射是一種裝置，使用受激發射來生成或放大電磁輻射在不久的透視或極紫外的光譜，即通常是在幾十數量級的納米的波長區域。

由於雷射介質中的高增益，較短的上層狀態壽命（1–100 ps），以及與可能反射X射線的反射鏡構造相關的問題，因此X射線雷射器通常在沒有反射鏡的情況下工作；X射線束是通過單次穿過增益介質產生的。基於放大的自發發射的發射輻射具有相對較低的空間相干性。該譜線大多是都卜勒展寬的，這取決於離子的溫度。

由於常見的可見光雷射在電子或振動狀態之間的躍遷僅對應於高達約10eV的能量，因此X射線雷射器需要使用不同的有源介質。同樣，如果要構建更高頻率的伽馬射線雷射器，則必須使用不同的活性介質（激發的原子核）。

拉曼散射（Raman scattering），一種光子的非彈性散射現象，1928年由印度物理學家拉曼發現，指光波在被散射後頻率發生變化的現象。當光線從一個原子或分子散射出來時，絕大多數的光子，都是彈性散射的，這稱為瑞利散射。在瑞利散射下，散射出來的光子，跟射入時的光子，它的能量、頻率與波長是相同的。然而，有一小部分散射的光子（大約是一千萬個光子中會出現一個），散射後的頻率會產生變化，通常是低於射入時的光子頻率，原因是入射光子和介質分子之間發生能量交換。這即是拉曼散射。

利用這種獨特的相互作用，科學家將能夠研究圍繞分子滑動的電子如何啟動生物學、化學、材料科學等領域的關鍵過程。研究人員在最近一期的《物理評論快報》中描述了他們的研究結果。

通常，當X射線脈衝與物質相互作用時，X射線會導致分子的最內層「核心」電子躍遷到更高的能量。這些核心激發態非常不穩定，衰減速度僅為千萬億分之一秒。大多數X射線實驗就是這樣結束的：被激發的電子通過將能量轉移到相鄰的電子，將其驅逐出原子並產生帶電離子，從而迅速返回其應有的位置。

但是，在足夠短而強烈的X射線脈衝的作用下，原子可能被迫做出不同的響應，從而開闢了新的方法來測量和控制物質。X射線可以激發核心電子，但隨後也可以驅動外圍電子來填充間隙。這允許分子進入激發態，同時將其原子保持在穩定的中性態。由於此拉曼過程依賴於核能級電子，因此電子激發最初在分子中高度局限，因此更容易查明其起源和追蹤其演化。

研究人員說：「如果將分子的電子視為一個湖泊，則拉曼相互作用類似於將一塊巖石扔進水中。」 「這種「激發」會產生從特定點起在整個表面上起伏的波。以類似的方式，X射線激發會產生在整個分子上起伏的「電荷波」。它們為研究人員提供了一種全新的方法來測量分子發光的響應。」

可見光脈衝也可以用於創建激發態分子，但是這些脈衝更像是會在整個水面上蕩漾的小地震。脈衝拉曼X射線激發提供了有關分子性質的更多信息，相當於在各個地方掉落巖石以產生並觀察到不同波紋圖案的信息。

早期的LCLS實驗證明了原子中的拉曼過程，但是直到現在，科學家仍迴避觀察分子中的拉曼過程。該實驗之所以成功，是因為產生了比以前短10到100倍的X射線自由電子雷射（FEL）脈衝的最新進展。該研究團隊提供了一種生成僅280阿秒的強脈衝的方法。這些脈衝對於實驗的成功至關重要，並將使科學家們在未來迅速啟動化學反應和相干的量子過程。

研究人員表示：「與基於雷射的阿秒光源相比，該實驗展示了阿秒X射線自由電子雷射的獨特性能。」 「最重要的是，該實驗研究可能帶來令人興奮的新科學。