不到十億分之一秒長的阿托秒X射線脈衝使研究人員能夠深入分子內部，跟蹤電子的移動並最終啟動化學反應。能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家們在2018年設計了一種方法，以產生持續數百阿托秒（或十億分之一秒）的X射線激光爆發。這項技術被稱為X射線激光增強的阿托秒脈衝生成（XLEAP），使研究人員能夠研究電子如何在分子上競賽，啟動生物學、化學、材料科學和其他領域的關鍵過程。
“電子運動是一個重要的過程，自然界可以通過它來移動能量，”SLAC科學家James Cryan說。”一個電荷在分子的一個部分產生，並轉移到分子的另一個部分，可能會啟動一個化學反應。當你開始考慮用於人工光合作用的光伏設備，或分子內部的電荷轉移時，這是一個難以繞開的難題。”
現在，SLAC的林肯相干光源（LCLS）的研究人員利用阿托秒脈衝使分子中的電子發生震蕩，以創造一個激發的量子態，並以前所未有的細節測量電子在這種狀態下的行為。這些發現最近發表在《科學》雜誌上。
領導XLEAP項目的SLAC科學家Agostino Marinelli說：”XLEAP使我們能夠深入分子內部，在其自然時間尺度上跟蹤電子運動。這可以讓我們深入了解許多重要的量子力學現象，在這些現象中，電子通常發揮着關鍵作用。”
阿秒脈衝是在像LCLS這樣的X射線自由電子激光器上產生的最短脈衝。XLEAP項目的獨特成就是在正確的波長下產生阿托秒脈衝，以觀察最重要的小原子內部，如碳、氮和氧。就像具有超快快門速度的照相機一樣，XLEAP脈衝可以在極快的時間尺度上捕捉到電子的運動和其他運動，這在以前是無法解決的。
在這個實驗中，研究人員用X射線脈衝撞擊一氧化氮分子，將電子從其正常位置撞到了一個高度活躍的電子云。他們用一個圓偏振激光器創建了一個超快的時鐘，以測量接下來發生的事情。電子云通過吐出快速電子而衰變，這些電子在落到探測器上之前被激光場帶動旋轉着。電子落在檢測器上的位置幫助研究人員弄清了電子云如何變化。他們看到電子云在短短几百萬分之一秒的時間內以獨特的量子方式移動。
當X射線脈衝與物質相互作用時，它們可以將樣品中一些結合最緊密的核心電子提升到高能狀態，即所謂的核心激髮狀態。由於它們的能量如此之高，核心激發態是極其不穩定的，通常會以快速電子的形式釋放能量，即所謂的奧格-邁特納電子，從而迅速衰變。這一現象在歷史上被稱為奧格衰變，但最近科學家們選擇加上首次觀察到這一現象的莉斯-邁特納的名字，以表彰她對現代原子物理學的廣泛貢獻。
在他們的研究中，研究人員精確地調整了來自LCLS的X射線的波長，以創造一種被稱為相干疊加的物質量子狀態，這是物質的波浪性質的一種表現。類似於薛定諤的貓，它發現自己在同一時間既死又活，受激電子同時處於不同的核心受激狀態，這意味着它們同時沿着不同的軌跡在分子上運行。
為了跟蹤這種核激髮狀態的連貫疊加是如何隨時間展開的，研究人員創造了一個被稱為”阿托克洛克”的超快時鐘，其中來自圓偏振激光脈衝的快速旋轉電場充當了時鐘指針。在核心激發態衰變過程中釋放的奧格-邁特納電子在落到探測器上之前被圓偏振激光脈衝旋轉。一個電子落在探測器上的位置告訴研究人員它從分子中被彈出的時間。通過測量許多奧傑-邁特納電子的彈射時間，研究人員能夠以僅僅幾百阿托秒的時間分辨率建立起一幅相干疊加狀態如何變化的圖片。
“這是我們第一次能夠跟蹤這一特殊現象並直接測量電子發射的速率，”SLAC科學家和主要作者Li Siqi說。”我們的技術使我們超越了僅僅看到這一過程的發生，並使我們能夠窺視分子中發生的錯綜複雜的電子行為，這些行為發生在幾百萬分之一秒的時間內。它為我們提供了一個非常好的方法來觀察分子內部，並看到在非常快的時間尺度上發生了什麼。”
為了跟進這項實驗，研究人員正在研究更複雜的量子行為的新測量方法。”在這個實驗中，我們正在研究一個非常簡單的模型的電子行為，你幾乎可以用鉛筆和紙來解決，”SLAC科學家和聯合主要作者Taran Driver說。”現在我們已經證明我們可以進行這些超快的測量，下一步是研究理論尚不能準確描述的更複雜的現象。”
Cryan說：”在越來越快的時間尺度上進行測量的能力是令人興奮的，因為在一個化學反應中最先發生的事情可能是理解後來發生的事情的關鍵。這項研究是這些超短X射線脈衝的首次時間分辨應用，使我們離做真正令人興奮的事情更近了一步，比如實時觀察量子現象的演變。它有希望成為一種世界領先的能力，許多人在未來幾年都會對此感興趣。”
LCLS是美國能源部科學辦公室的一個用戶設施。這項研究是來自SLAC、斯坦福大學、倫敦帝國學院和其他機構的研究人員之間合作的一部分。它得到了科學辦公室的支持。