AttoSHINE自啁啾過程示意結(jié)構(gòu)圖及其對應的電子束縱向相空間演化過程

阿秒X射線脈沖是研究凝聚態(tài)體系、分子體系及強關(guān)聯(lián)材料中超快電子動力學的重要工具，可同時提供原子尺度的空間選擇性與阿秒級時間分辨率。近年來，自由電子激光技術(shù)持續(xù)發(fā)展，將X射線脈沖長度從飛秒量級推進至阿秒量級，拓展了超快X射線科學研究能力。

近日，中國科學院上海高等研究院聯(lián)合德國電子同步加速器研究所，在阿秒X射線研究方面取得重要進展。研究團隊提出，依托上海硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)，通過優(yōu)化直線加速器、束流分配及波蕩器的工作參數(shù)，可在軟X射線和硬X射線波段穩(wěn)定產(chǎn)生兆赫茲重復頻率、太瓦級峰值功率的阿秒X射線脈沖。

研究團隊系統(tǒng)論證了我國首臺連續(xù)波X射線自由電子激光裝置SHINE具備在兆赫茲重復頻率下，穩(wěn)定輸出高強度阿秒X射線脈沖的潛力，并提出了“自啁啾”方案，即在依托SHINE基準硬件配置的基礎上，僅通過優(yōu)化調(diào)整束流動力學，可實現(xiàn)高峰值功率阿秒X射線脈沖的產(chǎn)生。該方案的核心機制為：利用縱向空間電荷力與相干同步輻射效應等電子束自身的集體效應，在束團內(nèi)部形成強能量啁啾，進而通過束流分配線對電子束進行極端縱向壓縮，形成超短的10kA峰值流強尖峰，從而輻射出強度大幅提升的阿秒X射線脈沖。研究表明，在自由電子激光進入飽和狀態(tài)后，超輻射效應可進一步壓縮X射線脈沖長度，并顯著提升其峰值功率。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，在考慮超導模組射頻相位抖動等實際運行條件的情況下，SHINE在硬X射線波段(6keV)可產(chǎn)生平均脈寬約300阿秒、峰值功率約0.8太瓦的X射線脈沖;在1keV軟X射線波段，可實現(xiàn)平均脈寬約470阿秒、峰值功率達太瓦量級的輸出。

該研究為高重頻、高峰值功率阿秒X射線光源發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑，且上海硬X射線自由電子激光裝置有望同時實現(xiàn)阿秒級時間分辨率與兆赫茲重復頻率，進而提升平均譜亮度。未來，該技術(shù)有望促進強關(guān)聯(lián)材料中電子動力學研究的發(fā)展，并為量子相干X射線譜學及生物、化學體系的原子尺度超快成像提供新的實驗手段。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《超快科學》(Ultrafast Science)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。

審核編輯 黃宇