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能够产生快速X射线的桌面式激光器
发布:s0208_2016   时间:2018/5/25 10:39:02   阅读:193 
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水窗谐波的产生与表征
图片来源:Advances (2018). advances.sciencemag.org/content/4/5/eaar3761
 
现在,研究电子在有机材料中的瞬时性短暂行为将变得更加容易,这主要归功于一种可用于产生快速X射线的新方法。

这项技术意味着世界各地的物理实验室现在可以进行快速反应的高级测量,而无需等待使用昂贵且稀缺的设备。例如,它可以用来研究和改进太阳能电池板和水电离器中的聚光技术。

当超出紫外线范围的“软”X射线照射到一个物体时,它们会被一些特定的原子强烈吸收。特别值得注意的是,水对这些X射线是透明的,但是,碳原子却能够吸收它们,这使得它们可用于对有机物和生物材料进行成像。

然而,生成非常快速的软X射线一直是一个技术挑战。创造只有百万分之一秒的X射线脉冲才能让研究人员对电子极快的运动进行成像,这对确定电荷是如何传播和发生反应的至关重要。

快速软X射线已经可以利用大型设备进行生成,例如价值数十亿美元的自由电子激光器,但现在来自伦敦帝国理工学院的一个研究小组利用标准实验室激光器就产生了快速而强大的快速软X射线脉冲。该方法可以产生持续数百阿托秒的明亮软X射线脉冲。该研究小组已经将其研究成果发表在《Science Advance》(科学进展)杂志上。

利用这项新技术,研究人员将能够观察到电子在自然时间维度上的移动,为他们提供动态的最小和最快反应步骤的图像。

来自伦敦帝国理工学院物理系的Jon Marangos教授说道:“这项技术的优势在于,它可以被世界上许多物理实验室已经安装的激光器采用。这一发现将使我们能够首次在一些极端时间尺度上进行测量。就这些测量而言,我们现在正处于技术的前沿,能够看到对科学和技术重要的、更快速的一些过程”。

在实验室中生成X射线需要激发原子,直到它们释放出光子——光粒子。通常情况下,漫长而分散的原子会依次激发,以便它们以“相位”发射出光子,这意味着它们会叠加并产生更强的X射线脉冲。这就是所谓的相位匹配。但是当试图通过这种方式产生软X射线时,原子云中的一些物理效应会强烈地使激光散焦,扰乱相位匹配。

相反,该团队发现他们需要一层薄而致密的原子云和较短的激光脉冲。通过这种设置,虽然光子不能长时间保持相位,但它们仍然在较短距离和短时间内保持同相。这就导致了软x射线脉冲的意外高效产生。

该团队进一步测量并模拟了在这种情况下导致高次谐波产生的确切效应,并期望据此可以预测并创建一系列适合X射线的最佳激发条件。

伦敦帝国理工学院物理系首席研究员艾伦约翰逊说:“我们已经设法研究了之前生成软X射线的技术,并利用这些信息构建了一台X射线激光器,一个可以与足球场大小般设备竞争的桌面型机器。在这当中,我们深刻体会到了知识确实是一种力量”。

帝国理工学院的研究团队还计划使用该技术去研究一些有机聚合物材料,特别是那些吸收太阳光线以产生能量或分解水分的材料。这些材料目前正处于紧张研究中,因为它们可以提供更干净、便宜的可再生能源。

然而,由于受光激发电子的作用,许多当前使用的材料性能并不稳定或效率低下。对这些电子的快速相互作用进行深入研究可以为改进太阳能电池和催化剂等材料提供巨大的理论指导意义。
 
 
译者:Vince
译自:phys
 
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