电子光谱学：不只是快照，而是真实电影？

艺术家对实验的印象：激光脉冲（来自右边，用红色表示）撞击氩原子云。原子吸收光能并以阿秒脉冲序列的形式重新发射，速率为每秒7800万。一个特殊构造的带有微小孔径（左上）的穿孔镜用于捕获极紫外线辐射的脉冲。高重复率将有可能产生原子和分子中电子运动的超高速改变的高分辨率电影。图片来源：Thorsten Naeser。

位于慕尼黑大学LMU和马克斯普朗克量子光学研究所的物理学家已经开发出一种激光配置，可以让他们“拍摄”电子的运动。

电子不是懒散的。事实上，它们移动速度太快，以至于难以确定。如今，这些基本粒子确实可以被成像，但是获得的是单个孤立的快照。所以自由电子的分散到目前为止，一直无法直接观察到。但是现在，与Jena弗里德里希席勒大学的同事一起，在LMU的阿尔泰物理实验室（LAP）和马克斯普朗克量子光学研究所（MPQ）的研究小组中，与耶拿弗里德里希席勒大学的同事们合作，提出了激光配置，使其成为可能。通过拍摄它们来跟踪电子的动力学。该团队使用高功率激光以每秒7800万的速度产生阿秒脉冲序列，每列火车包含大约20个闪光灯，每个闪光灯持续不到一飞秒。利用这种高重复率，应该有可能表征电子的行为，其量子态波动非常迅速，效率比以往任何时候都高。

频闪摄影是一种特殊技术，允许人们冻结移动物体的运动。诀窍是在保持快门打开的同时触发闪光灯几次。多次曝光的效果是惊人的。在单个图像上多次捕获对象，在其轨迹中的不同点停止其运动。

希望了解原子和分子中超快过程的物理学家在遇到使用频闪仪拍摄的传统图像时，会感到有点羡慕。在毫微微或阿秒物理世界中，只能拍摄超快粒子（如电子）运动的单一快照。借助于超短脉冲激光产生的闪光拍摄这些快照。但是电子的量子动力学可以在几秒钟内发生变化 - 阿秒是十亿分之一秒（10-18秒）的十亿分之一 - 太快而不能被这些曝光时间捕获为清晰图像。原子中的电子配置也在阿秒时间尺度上波动。

在由Ferencz Krausz教授和Ioachim Pupeza博士领导的激光物理学家团队开发的新技术的帮助下，很快就可以使用类似的方法更详细地监测量子粒子的动力学和更高的时间分辨率。频闪成像。

该团队使用高功率镱光纤激光器作为光源，能够以每秒7800万（78 MHz）的速率产生一系列阿秒脉冲。每列火车包括大约20个单独的阿秒闪光。用于产生阿秒闪光的激光脉冲首先在所谓的光学谐振器中相干增强 - 这是一种形成腔的反射镜系统，其中光在逃逸之前来回反射多次。每当波脉冲击*特中**定镜子时，它通过后续脉冲的同步相加而被放大。这种波形的叠加使科学家们能够增强初始脉冲的幅度，这个脉冲大约是50飞秒（飞秒）是百万分之一十亿分之一秒或10-15秒分数250倍，同时提高其稳定性。

然后将这些脉冲聚焦在由氩原子云组成的靶上。原子吸收能量并以阿秒闪光辐射的形式迅速重新发射。然后通过巧妙的滤波方法将这些超短脉冲选择性地耦合出谐振器。这包括将它们引导到具有孔径的穿孔镜子，该孔径足够大以使阿秒脉冲通过而没有显着的扰动。

通过这种方式，科学家们能够以镱光纤激光器发射78 MHz的光脉冲的速率产生阿秒脉冲序列。由此产生的阿秒闪光由极紫外辐射组成，波长在10和100nm之间。此外，辐射是相干的 - 光波在相位上振荡 - 并且光粒子（光子）的能量大约为100eV - 比在这样的重复率下所达到的高。

总之，这些特征有可能在光学光子的帮助下彻底改变微观世界的研究。极高的数据采集速率将首次使人们能够跟踪电子的动态行为，就像使用频闪照明拍摄的照片一样，可以阻止宏观物体的运动。

研究人员打算进一步采用这种方法，以期增加激光脉冲的功率，同时减少其持续时间。最终，他们希望产生孤立的阿秒闪光而不是脉冲序列。此外，他们希望增强构成阿秒脉冲的光子的能量，以达到280eV的所谓“水窗”。这反过来将允许他们观察具有非常高的时间分辨率的生物分子的微观行为，即制作分子电影。