一項國際合作研究發現，超快X 射線雷射脈衝會導致矽晶體的繞射影像在高強度下因快速電子損傷而變暗。這項發現為生產更短的雷射脈衝和進行更精確的原子結構分析提供了新的可能性。

當我們照亮某樣東西時，通常會認為使用的光源越亮，得到的影像就越亮。這項規律同樣適用於超短脈衝雷射，但只能達到一定的強度。研究發現，高強度X 射線脈衝會導致矽晶體繞射影像意外變暗，這現象可能會推動雷射技術和材料分析的進步。

研究人員正在探索為什麼在非常高的X 射線強度下，X 射線衍射影像會變得不那麼明亮。了解這一現像不僅能加深我們對光-物質相互作用的認識，也能為生產持續時間比目前短得多的雷射脈衝提供獨特的視角。

用於晶體矽樣品繞射實驗的SACLA 設施的實驗裝置。資料來源：SACLA

X 射線衍射中的驚人觀察結果

光線越強越亮？事實並非總是如此！以超快X 射線雷射脈衝照射矽晶體時，落在樣品上的光子越多，即光束強度越高，確實繞射出的影像最初是越亮的。然而，最近人們觀察到了一種反直覺效應：當X 射線光束的強度開始超過某個臨界值時，繞射影像就會意外地變弱。

在日本、波蘭和德國研究機構（包括兵庫縣理化學研究所SPring-8 中心、克拉科夫波蘭科學院核子物理研究所(IFJ PAN) 和漢堡DESY 實驗室自由電子雷射科學中心(CFEL) ）的實驗和理論物理學家的努力下，這令人費解的現象剛剛得到了解釋。

SACLA 自由電子雷射設施，超短X 射線脈衝在晶體矽樣品上的繞射實驗就在這裡進行。資料來源：SACLA

XFEL 在物質分析中的作用

X 射線自由電子雷射（XFEL）可產生持續時間為飛秒（即四十億分之一秒）的超強X 射線脈衝。這種機器目前只在世界上少數幾個地方運行，主要用於透過X 射線衍射分析物質結構。利用這種技術，用X 射線脈衝照射樣品並記錄衍射輻射。所得的繞射影像可用於重建被測材料的原始晶體結構。

「直覺告訴我們，光子越多，樣品的繞射影像就應該越清晰。事實的確如此，但這只限於一定的X 射線強度，即每平方公分數十萬億瓦特。當超過這個值時–我們最近才有能力做到這一點–衍射訊號突然開始減弱。”Beata Ziaja-Motyka 教授（IFJ PAN，DESY）說：”我們的研究是解釋這種意外效應的首次嘗試。”

理論研究與模擬的啟示

在日本兵庫縣名為SACLA 的XFEL 設備上進行的XFEL 雷射照射晶體矽樣品的實驗結果，其理論研究得到了電腦模擬的支持。研究者對觀察到的現像做出如下解釋。

“當高能量光子雪崩擊中一種材料時，各種原子殼中的電子會被大量擊落，導致材料中的原子迅速電離。去年，我們小組的研究表明，在光脈衝擊中樣品後，電離原子在晶格中的首次移動，即樣品結構自毀過程的啟動，發生了大約20 飛秒的延遲。”負責這項實驗研究的理化學研究所SPring-8 中心的Ichiro Inoue 博士說：”我們現在確信，最近觀察到的衍射訊號減弱的原因是在相互作用的前六個飛秒發生的現象。”

在X 射線與物質相互作用的初始階段，射入的高能量光子不僅迅速激發了原子的’表面’（價電子），而且還激發了位於原子核附近、佔據原子深層外殼的電子。事實證明，原子深殼空穴的存在會大大降低原子散射係數，也就是決定所觀察到的衍射訊號強度的量。

電子損傷及其影響

「我們的研究表明，在材料結構發生任何損壞和樣品解體之前，首先會發生快速的電子損壞。因此，脈衝的最後部分實際上不再電離材料，因為X 射線光子不再可能在能量上進一步激發電子，”Ziaja-Motyka 教授指出。

潛在應用和突破

乍一看，觀察到的效應似乎只是不利的，因為它導致記錄的衍射圖像亮度降低。然而，人們似乎可以很好地利用這一發現。觀察到不同原子對超快X 射線脈衝的反應不同，這可能有助於從記錄的衍射圖像中更準確地重建三維複雜原子結構。

另一個潛在的應用領域是生產脈衝持續時間極短的雷射脈衝。由於高強度X 射線脈衝通過的材料會”切斷”已經超短的脈衝的很大一部分，因此可以有意將其用作”剪刀”，以產生比目前產生的脈衝更短的脈衝。如果研究成功，這將推動量子世界成像技術的另一個突破。

本文介紹的研究由波蘭科學院核子物理研究所共同資助。

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.163201

編譯來源：ScitechDaily