作者:Forschungsverbund Berlin
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(FVB) 那些与两个光子发生相互作用的原子同时以一条直线(水平、绿色)撞击探测器
相比之下，吸收了一个光子并随后发射出另一个光子的原子会散射到更大的区域
学分:斯特凡·艾赛比特/马克斯·伯恩学院 1921年，阿尔伯特·爱因斯坦因发现光是量子化的，并以称为光子的粒子流与物质相互作用而获得诺贝尔物理学奖
从量子力学的早期开始，物理学家就知道光子也具有动量
乌普萨拉大学马克斯·玻恩研究所和欧洲x光自由电子激光设施的科学家采用了一种新的方法来观察x光与原子相互作用的基本过程
详细的实验和理论结果发表在《科学》杂志上
原子吸收和发射光子是光与物质相互作用的基本过程
更罕见的是几个光子同时与一个原子相互作用的过程
自20世纪60年代以来，强激光束的出现导致了用于观察和利用这种过程的非线性光学的发展
如果有可能用x光代替可见光使用非线性光学，全新的可能性就会出现
利用超短的x光闪光可以对分子和固体中的电子和原子核的运动进行详细的观察
这一观点是几个国家基于粒子加速器建造x光激光器的驱动因素之一
当欧洲XFEL X光自由电子激光器于2017年开始运行时，科学界朝着这个方向迈出了重要的一步
然而，利用非线性x光过程研究物质的基本相互作用的进展比预期的要慢
“通常，更强的线性过程掩盖了有趣的非线性过程，”教授说
柏林马克斯·波恩非线性光学和短脉冲光谱学研究所的尤里·艾希曼
德国-瑞典研究小组现在已经展示了一种新的方法来观察非线性过程，而不受线性过程的干扰
为此，研究小组利用了x光和原子之间传递的动量
当超音速原子束与x光束交叉时，他们可以识别那些经历了所谓的受激拉曼散射过程的原子——一个基本的非线性过程，两个不同波长的光子撞击一个原子，两个更长波长的光子离开该原子
研究结果发表在《科学》杂志上
“光子将动量传递给原子——完全类似于台球撞击另一个，”艾希曼解释道
在受激拉曼过程中，两个光子以与两个入射光子完全相同的方向离开原子，因此原子的动量及其飞行方向基本上保持不变
更常见的线性过程是一个光子被吸收，然后发射另一个光子，这种过程具有不同的特征:由于发射的光子通常以不同的方向发射，原子将被偏转
通过观察原子的方向，科学家们可以清楚地区分受激拉曼过程和其他过程
“这种新方法在未来与两种不同波长的延时x光脉冲相结合时，会带来独特的可能性
这种脉冲模式最近已经在欧洲XFEL这样的x光激光器上可用
迈克尔·迈耶，欧洲XFEL的研究员
由于不同波长的x光脉冲使研究人员能够专门处理分子中的特定原子，因此可以详细观察分子中电子的波函数是如何随时间演变的
从长远来看，科学家们不仅希望观察这种演变，而且希望通过定制的激光脉冲来影响这种演变
“我们的方法有助于更好地理解原子尺度上的化学反应，并有助于将反应引向理想的方向
由于电子的运动是发生化学和光化学反应的基本步骤
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乌普萨拉大学教授扬-埃里克·鲁本森说:“在电池和太阳能电池方面，我们的方法也可能在这种过程中给出新的见解。”
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