关联电子增强X射线高次谐波

研究人员通过向空心光波导中的氦气发射强紫外激光脉冲，产生了此前无法获得的X射线谐波。[图片：TU Wien]

美国、奥地利和西班牙的科学家展示了如何将高次谐波产生的X射线能量谱显著扩展到一个公认的硬极限之外（Nat. Photonics, doi: 10.1038/s41566-026-01976-2）。他们发现，通过利用强紫外激光脉冲，可以将氦原子中与单电子相互作用相关的光子能量提高一倍以上。该团队得出结论，更高的频率源于相关电子被氦离子同时再吸收。

从一个电子到两个电子

早在20世纪90年代，物理学家就展示了如何通过向特定气体发射较低频率的激光来产生X射线波段的谐波。这种“高次谐波产生”过程涉及电子被激光束从原子中剥离，在激光电场作用下加速，与母离子复合，并在此过程中辐射出频率远高于激光的光。该工作于2023年获得诺贝尔物理学奖认可，借助跨越极宽光谱的多个独立光波的组合，得以产生极短的阿秒激光脉冲。

这种谐波产生过程涉及单电子，对于给定的驱动波长、激光强度和气体，所产生的光子能量存在严格的上限。此后理论学家推断，如果两个电子能够同时被加速并与离子复合，就有可能突破这一极限。此外，实验学家已在氦原子双电离的情况下观察到电子关联效应。但就谐波产生本身而言，占主导地位的单电子光谱迄今掩盖了对集体电子动力学产生的任何更高次谐波的观测。

能量提升

在最新研究中，由美国加州大学圣迭戈分校和奥地利维也纳理工大学的Tenio Popmintchev领导的研究人员展示了如何通过将脉冲紫外激光产生的极强光射入空心光波导中的氦气来克服这一问题。他们使用一台非常高效的锥形衍射光谱仪测量了气体中产生的谐波能量谱。

研究人员发现，在相当低的强度下，他们可以获得光子能量高达约120电子伏特（eV）的明亮谐波，这与紫外驱动激光的单光子过程预期一致。但一旦将激光强度提升到2 × 10¹⁵ Wcm^-2以上，他们发现谐波能量谱中出现了一个额外的“平台”，远超单电子的通常上限。凭借极低噪声的探测器，他们得以记录到高达280 eV的辐射——即所谓水窗的边缘。他们发现，次级平台遵循一种新的截止标度律；激光加速使再散射电子的能量提高了最多5.5倍，远高于传统的3.2倍。

Popmintchev 解释说，团队决定使用紫外（而非红外）波长的强光，从而克服了此前掩盖双吸收过程的两个障碍。他说，其中一个发生在单个原子层面——电子波包的量子扩散；另一个则是宏观现象：正确同步 X 射线谐波场的能力。

为了验证双吸收在其实验中的作用，Popmintchev 与同事将他们的结果与一个谐波产生模型进行了比较，该模型使用含时薛定谔方程来描述关联电子。模拟中，两个电子持续纠缠，激光场引导它们沿不同的量子路径运动——最大限度地减小它们之间的库仑斥力，使它们更有可能同时复合。这种复合产生单个软 X 射线光子，且只有在电子相互关联的情况下才能发生。

理论与实验不一致

研究人员发现，在发射光子的能量范围方面，模型与他们的结果相符。相反，理论与实验在单电子谱和双电子谱的相对强度上存在分歧。模型预测后者的强度应比单电子对应过程低约 10 个数量级，但实验显示的差距仅为四个数量级。

研究人员认为，这种不一致可以用几个因素来解释。首先，他们说，极强的驱动激光会产生显著的等离子体，削弱单电子复合，但由于电离出更多电子，反而增强了双电子过程。他们还认为，模型可能因未能在计算上正确再现计算量巨大的宏观相位匹配效应而出错。

此外，他们说，通过比较氦与氩和氖的行为，可以支持电子关联是观测到的更高能量平台起因这一观点。在实验中用后两种气体中的任一种替代前一种气体后，他们发现标准能量截止之上没有谐波产生。他们认为，这很可能是由于这些原子中额外的电子掩盖了氦所特有的三体动力学。

Popmintchev 与同事相信，他们的研究可以催生一种新型阿秒关联光谱学，所测光谱的形状、范围和激光偏振依赖性将揭示电子—电子相互作用的阿秒尺度细节。展望更远的未来，团队提出，同样的原理可用于探测量子信息本身由电子关联承载的系统。