马克斯·普朗克学会珍妮·维特著 实验的艺术描述
两种电子发射之间的固有延迟导致分析数据中的特征椭圆
原则上，椭圆周围各个数据点的位置可以像时钟指针一样读取，以揭示动态过程的精确定时
信用:丹尼尔·海因斯/约格·哈姆斯 十多年来，硬x光自由电子激光器一直在发射高强度的超短x光脉冲
XFELs最有前途的应用之一是在生物学领域，在这一领域，研究人员甚至可以在辐射损伤破坏样本之前捕捉原子尺度的图像
在物理和化学领域，这些x光还可以揭示自然界中最快的过程，快门速度只有一飞秒——相当于十亿分之一秒的百万分之一
然而，在这些微小的时间尺度上，一方面使在样品中引发反应的x光脉冲与另一方面“观察”它的激光脉冲同步是极其困难的
这个问题被称为时间抖动，它是在分辨率越来越短的XFELs上进行时间分辨实验的主要障碍
现在，一个由汉堡MPSD和DESY、瑞士保罗·舍勒研究所和七个国家的其他机构的合作者组成的大型国际研究团队已经开发出一种方法，在XFELs上解决这个问题，并通过测量氖气体的基本衰变过程来证明其有效性
这项工作已经发表在《自然物理学》上
许多生物系统——以及一些非生物系统——在受到来自XFEL的x光脉冲激发时会受到损害
损坏的原因之一是奥格衰变过程
x光脉冲从样品中喷射出光电子，导致它们被外壳中的电子取代
当这些外层电子弛豫时，它们释放出能量，这些能量随后会引发另一种电子的发射，这种电子被称为俄歇电子
强烈的x光和俄歇电子的持续发射都会造成辐射损伤，这会使样品迅速降解
确定这种衰变的时间将有助于在研究不同分子的实验中避免辐射损伤
此外，俄歇衰变是研究物质的奇异、高激发态的一个关键参数，它只能在XFELs中进行研究
通常，时间抖动似乎排除了在XFEL对如此短暂的过程进行时间分辨研究
为了解决抖动问题，研究小组想出了一个开创性的、高度精确的方法，并用它来绘制俄歇衰变图
这项技术被称为自参考阿秒条纹，其基础是绘制成千上万幅图像中的电子，并根据数据中的全球趋势推断它们何时发射
合著者之一、DESY闪光光子研究小组的研究员克里斯多佛·伯伦斯说:“看到我们最初为自由电子激光的x光脉冲特性开发的技术的改进如何在超快科学实验中找到新的应用，真是令人着迷。”
在他们方法的第一次应用中，研究小组使用了氖气，这种气体的衰变时间是在过去推断出来的
在将光电子和俄歇电子暴露于外部“条纹”激光脉冲后，研究人员在数万次单独测量中的每一次都确定了它们的最终动能
至关重要的是，在每次测量中，俄歇电子与条纹激光脉冲的相互作用总是比最初移动的光电子稍晚，因为它们是在稍后发射的
这个常数构成了这项技术的基础
通过结合如此多的单个观察，研究小组能够构建一个详细的物理过程图，从而确定光发射和俄歇发射之间的特征时间延迟
第一作者丹·海因斯是MPSD大学的博士生，他说:“自我参考的条纹技术使我们能够以亚飞秒精度测量氖气体中x光电离和俄歇发射之间的延迟，尽管实验过程中的时间抖动在几百飞秒范围内
这就像试图拍摄比赛结束时，相机快门可能在最后十秒的任何时刻激活
" 此外，测量表明，在俄歇衰变的理论描述中，光电离和随后的弛豫和俄歇衰变必须作为一个单一的统一过程而不是两步过程来处理
在以前的时间分辨研究中，衰变是以半经典的方式模拟的
然而，在LCLS和XFELs的测量条件下，发现该模型是不充分的
相反，该项目的合作理论家安德烈·卡赞斯基和尼古拉·卡巴尼克应用了一个完全量子力学模型，根据实验观察到的电离和俄歇发射之间的延迟来确定基本俄歇衰变寿命
研究人员希望自参考裸奔将在超快科学领域产生更广泛的影响
从本质上来说，这项技术使得传统的阿秒条纹光谱学，以前仅限于桌面光源，随着它们接近阿秒前沿，可以扩展到世界范围内的XFELs
以这种方式，自我参考的条纹可以促进一个新的实验类别，受益于XFELs的灵活性和极端强度，而不损害时间分辨率
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