科学探索|科学家发现对原子内电子运动进行高精准性的创新计时方法科学家发现对原子内电子运动

来自慕尼黑工业大学（TUM）激光和 X 射线物理学教授 Reinhard Kienberger 在今年前发起了一项活动，在美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）进行了飞秒范围的重要测量。现在，一个大型的国际研究小组已经开发出一种方法来绕过 XFELs 的这个问题，并通过测量氖气中的一个基本衰变过程来证明其有效性。

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然而，在这些微不足道的时间尺度上，一方面是在样品中引发反应的 X 射线脉冲，另一方面是“观察”它的激光脉冲，要做到同步是非常困难的。这个问题被称为时间抖动（timing jitter），它是目前在 XFELs 上进行时间分辨实验的主要障碍，其分辨率越来越短。
许多生物系统以及一些非生物系统--在被来自 XFEL 的 X 射线脉冲激发时受到损害。损害的原因之一是被称为俄歇衰变（Auger decay）的过程。X 射线脉冲将光电子从样品中弹出，导致它们被外壳中的电子取代。当这些外层电子松弛时，它们会释放出能量，随后会诱发另一个电子的发射，即所谓的俄歇电子（Auger electron）。
辐射损伤是由强烈的 X 射线和持续发射的俄歇电子造成的，它可以迅速地使样品退化。在研究不同分子的实验中，为这种衰变计时将有助于规避辐射损伤。此外，俄歇衰变是研究物质的奇异、高度激发状态的一个关键参数，而这只能在XFELs 进行研究。
为了绘制俄歇衰变图，科学家们使用了一种被称为自我参照的阿托秒条纹（attosecond streaking）的技术，该技术基于对数千张图像中的电子进行测绘，并根据数据的整体趋势推断出它们的发射时间。
对于他们的方法的第一次应用，该团队使用了氖气，在那里的衰变时间在过去已经被推断出来。在将光电子和俄歇电子暴露在一个外部的"条纹"激光脉冲中后，研究人员确定了它们在数以万计的单独测量中的最终动能。
帮助制定实验设计的 Reinhard Kienberger 教授说：“至关重要的是，在每次测量中，俄歇电子与条纹激光脉冲的相互作用总是比最初位移的光电子稍晚，因为它们的发射时间较晚。这个不变的因素构成了该技术的基础。通过结合这么多单独的观察，该团队能够构建一个详细的物理过程图，从而确定光和俄歇发射之间的特征时间延迟” 。
【科学探索|科学家发现对原子内电子运动进行高精准性的创新计时方法】更多信息访问：Clocking the Movement of Electrons Inside an Atom – Down to a Millionth of a Billionth of a Second.