科学家们在激光物理学中，将X射线生成推向了一个长期以来被接受的限制之外，揭示了一种传统理论无法解释的惊人量子效应。通过将强紫外激光定向照射到氦原子上，研究人员产生了比标准模型预测的能量高得多的X射线。这一突破依赖于两个电子之间的不寻常相互作用，使它们能够一起释放能量。这个发现来自于维也纳科技大学与加利福尼亚大学圣地亚哥分校的合作，并建立在帮助建立阿秒物理学领域的研究基础上。1990年代在维也纳科技大学开发的激光技术为2023年诺贝尔物理学奖的认可做出了贡献。数十年来，科学家们一直知道，将激光光束指向某些原子可以使它们发出极短脉冲的高频光，包括X射线。然而，现有理论预测这些发射的最高能量基于入射激光的特性。在这个被称为能量截止的边界之外，X射线生产变得极其微弱。新的实验表明，当两个电子以特定方式相互作用时，这一熟悉的限制可以被超越。这些发现发表在《自然光子学》上。激光如何产生强大的X射线脉冲“短X射线脉冲背后的机制早已为人所知，”维也纳科技大学光子学研究所的Tenio Popmintchev教授说。“激光将一个电子从原子中撕扯出来。然后电子在激光的电场中加速，直到它最终再次与原子碰撞。在这个过程中失去的能量以光的形式发出。”在此过程中，激光的电场驱动释放的电子远离其母原子，然后再将其带回。当电子返回并释放能量时，它在频率上产生远高于原始激光束的光。诺贝尔奖获得者Ferenc Krausz在1990年代的开创性实验中使用了这一机制。Tenio Popmintchev和他的同事现在在Krausz进行早期研究的同一维也纳科技大学研究所工作，但他们的最新实验将这一过程推向了先前理解的边界之外。“可以表明，当电子返回其原子时，它产生一系列不同频率的光，强度大致相等，”Tenio Popmintchev团队的博士后Dimitar Popmintchev说。“但存在一个上限。超过这个上限的频率要弱得多；超出某个最大频率是根本不可能的。”这个预测描述了涉及单个电子的常规过程。研究人员想要探究，如果两个电子参与，结果是否会改变。两个电子打破了预期的X射线能量限制为了调查这一点，团队使用强烈的紫外(UV)激光脉冲与氦原子相互作用。与通常涉及一个电子的过程不同，实验允许氦的两个电子依次被移除。第一个电子被激光场释放并加速，然后第二个电子被释放。尽管电子是在不同的时刻被释放的，但它们之间的行为通过量子关联保持联系。这种关系意味着它们的运动不能完全独立对待。通过仔细控制紫外激光脉冲，研究人员能够安排两个电子同时返回原子。“使用UV驱动脉冲，我们可以确保两个电子在完全相同的时间返回原子，”Dimitar Popmintchev说。“两个电子的能量随后会一次性释放。当更多的能量可用时，还可以产生单个更高能量的X射线光子，它的频率也更高。”这种能量的协调释放使得产生超过传统能量截止的X射线光子成为可能。这个过程不是依赖于单个返回电子的能量，而是依赖于两个相互作用电子的综合能量。意外的X射线信号确认了这一发现研究人员发现明确的实验证据表明，两个电子的过程正在产生异常有能量的X射线。当他们检查发射的相干辐射的光谱时，他们发现一个二次区域的持续发射，其光子能量比标准理论预测的要高得多。这个额外区域，被称为平台，虽然比主要发射要弱，但远远超出了以前建立的能量范围。意外信号只在研究人员使用氦时出现。涉及氩和氖的类似实验未在其外部电子中产生相同的行为。这一差异为所提出的解释提供了重要证据。