极高 X 射线密度下 "变暗 "X 射线衍射图像的基础

一般认为，当某物体受到照射时，所产生图像的亮度会随着光源亮度的增加而增加。这一定律同样适用于超短激光脉冲，但功率有限。除了为产生脉冲持续时间比目前使用的激光脉冲短得多的激光脉冲提供了一个独特的视角之外，对为什么 X 射线衍射图像在极高的 X 射线强度下会 "变暗 "这一问题的解答，还推进了对光与物质相互作用的基本认识。

如果光线更强，会更明亮吗？如果这一观察结果并不总是正确的，那么它就会显得微不足道！当使用超快 X 射线激光脉冲照射硅晶体时，落在样品上的光子越多或光束强度越大，衍射图像最初就越亮。

然而，最近人们注意到一个令人惊讶的结果：当 X 射线光束的强度开始超过一个特定的临界值时，衍射图像会突然变暗。

日本、波兰和德国研究机构的实验和理论物理学家最近对这一令人困惑的现象进行了解释，这些研究机构包括兵库县理化学研究所 SPring-8 中心、克拉科夫波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN) 以及汉堡 DESY 实验室的自由电子激光科学中心 (CFEL)。

X 射线自由电子激光器（XFEL）可产生飞秒级或四十亿分之一秒级的极亮 X 射线脉冲。这些机器目前只在全世界少数几个地方有，主要用于通过 X 射线衍射分析材料的结构。

用 X 射线脉冲照射样品，然后记录衍射辐射。然后利用获得的衍射图重建被研究物质的原始晶体结构。

直觉告诉我们，光子越多，样品的衍射图像就应该越清晰。事实的确如此，但这只限于一定的 X 射线强度，即每平方厘米几十万亿瓦特。当超过这个值时--我们最近才有能力做到这一点--衍射信号突然开始减弱。我们的研究首次尝试解释这种意想不到的效应。---Beata Ziaja-Motyka，波兰科学院核物理研究所教授

Ziaja-Motyka 教授致力于超快 X 射线脉冲与物质相互作用过程的计算机模拟和理论建模。

计算机模拟被用于支持理论研究，以解释在日本兵库县名为 SACLA 的 XFEL 设施中使用 XFEL 激光发射晶体硅样品的实验结果。研究人员的调查对他们所看到的现象做出了如下解释。

当高能光子雪崩击中材料时，各种原子壳中的电子会被大量击落，导致材料中的原子迅速电离。去年，我们的研究小组发现，在光脉冲撞击样品后，电离原子在晶格中的首次移动，即样品结构自毁过程的启动，发生了大约 20 飞秒的延迟。我们现在确信，最近观察到的衍射信号减弱的原因是在相互作用的前六个飞秒内发生的现象。---Ichiro Inoue 博士，理化学研究所 SPring-8 中心研究员

在 X 射线与物质相互作用的早期阶段，到达的高能光子会迅速激发原子 "表面"（价）壳中的电子，以及原子核附近深原子壳中的电子。事实证明，具有深层空穴的原子具有明显较小的原子散射系数，即控制衍射信号强度的变量。

Ziaja-Motyka 教授补充说："我们的研究表明，在材料发生任何结构性损伤和样品解体之前，首先会发生快速的电子损伤。因此，脉冲的最后部分实际上不再电离材料，因为 X 射线光子不再可能在能量上进一步激发电子。

经初步观察，这种影响似乎只是不利的，因为它会导致记录的衍射图片变得不那么亮丽。不过，这一发现似乎还是很容易被滥用的。考虑到不同原子对超快 X 射线脉冲的反应不同，从记录的衍射图像中重建复杂的三维原子结构可以变得更加精确。

超短脉冲时间激光脉冲的产生是另一个可能的应用领域。由于高强度 X 射线脉冲 "切断 "了已经超短的脉冲的大部分，因此可以有意将材料用作 "剪刀"，以产生比迄今为止获得的脉冲更短的脉冲。如果成功，这可能会带来量子世界成像技术的又一次突破。

波兰科学院核物理研究所为这项工作提供了联合资助。

参考资料

Inoue, I., et al. (2023) Femtosecond Reduction of Atomic Scattering Factors Triggered by Intense X-Ray Pulse. Nature Nanotechnology. doi:10.1103/PhysRevLett.131.163201