我国在连续波太瓦阿秒X射线自由电子激光研究领域取得重要进展

近日，中国科学院上海高等研究院联合德国电子同步加速器研究所，在阿秒X射线自由电子激光研究方面取得突破性进展。该成果为高重频、高峰值功率阿秒X射线光源发展提供了新的技术路径，将进一步拓展超快X射线科学的研究边界。

阿秒X射线脉冲是探索凝聚态体系、分子体系及强关联材料中超快电子动力学的核心工具，其核心优势在于能同时提供原子尺度的空间选择性与阿秒级的时间分辨率。近年来，随着自由电子激光技术的不断迭代，X射线脉冲长度已从飞秒量级逐步推进至阿秒量级，为相关领域的前沿研究奠定了基础。

此次研究依托我国首台连续波X射线自由电子激光装置——上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）展开。研究团队经过系统论证，明确了SHINE装置具备在兆赫兹重复频率下，稳定输出高强度阿秒X射线脉冲的潜力，并创新性地提出了“自啁啾”技术方案。

据介绍，该方案无需对SHINE装置的基准硬件配置进行改动，仅通过优化调整束流动力学即可实现高峰值功率阿秒X射线脉冲的产生。其核心机制是利用电子束自身的集体效应，包括纵向空间电荷力与相干同步辐射效应，在束团内部形成强能量啁啾，再通过束流分配线对电子束进行极端纵向压缩，形成超短的10kA峰值流强尖峰，进而辐射出强度大幅提升的阿秒X射线脉冲。研究同时发现，当自由电子激光进入饱和状态后，超辐射效应还能进一步压缩X射线脉冲长度，并显著提升其峰值功率。

数值模拟结果显示，在考虑超导模组射频相位抖动等实际运行条件的前提下，SHINE装置在不同波段均能实现高性能输出：在硬X射线波段（6keV），可产生平均脉宽约300阿秒、峰值功率约0.8太瓦的X射线脉冲；在1keV软X射线波段，能实现平均脉宽约470阿秒、峰值功率达太瓦量级的稳定输出。

业内专家表示，该研究的突破意义重大，不仅验证了SHINE装置在阿秒光源领域的应用潜力，更提供了一种高效、经济的技术路径，助力我国在高重频阿秒光源领域实现跨越式发展。未来，随着该技术的进一步完善，SHINE装置有望同时实现阿秒级时间分辨率与兆赫兹重复频率，显著提升平均谱亮度，为强关联材料中电子动力学研究提供有力支撑，同时也将为量子相干X射线谱学及生物、化学体系的原子尺度超快成像开辟新的实验途径。