科学家利用强紫外激光作用于氦原子，促使2个电子量子协同释放能量，成功打破了激光产生X射线的传统能量极限。
在激光物理学领域，科学家推动X射线生成技术跨越了长期被公认的传统极限，揭示出经典理论无法解释的奇妙量子效应。通过向氦原子发射高强度的紫外激光，研究团队成功产生了能量远高于标准模型预测值的X射线。这一突破依赖于2个电子之间特殊的量子相互作用，使它们能够同步释放能量。
这项研究成果由维也纳工业大学与加州大学圣地亚哥分校合作完成，建立在阿秒物理学奠基性成果之上。早在1990年代，维也纳工业大学开发出的激光技术就为该领域做出了开创性贡献，并助力获得了2023年诺贝尔物理学奖。
几十年来，科学界已知将激光照射到特定原子上可以诱发其发射极短脉冲的高频X射线。然而，传统理论预测这种发射存在一个最高能量边界，即能量截止极限。一旦超越这个上限，X射线的产生效率就会急剧下降。
强激光生成X射线脉冲的传统机制基于单电子过程。维也纳工业大学光子学研究所的Tenio Popmintchev解释说，激光电场首先将单个电子从原子中剥离并加速，随后驱动电子反向运动并与母原子碰撞，损失的能量便以高频光辐射出来。诺贝尔奖得主Ferenc Krausz在1990年代的实验中就运用了这一机制。
维也纳工业大学博士后Dimitar Popmintchev表示，根据传统单电子模型，返回原子的电子辐射出的高频光存在严格上限，超出该极限的辐射强度会急剧衰减。研究团队希望探索如果有2个电子同时参与，结果是否会改变。
为此，研究团队采用高强度紫外激光脉冲照射氦原子。与单电子机制不同，实验成功让氦原子的2个电子先后被剥离。尽管被释放的时间有先后，但它们的状态通过量子关联紧密相连。通过精准调控紫外激光脉冲，研究人员使这2个电子在同一时刻精确返回原子核附近。
Dimitar Popmintchev指出，利用紫外驱动脉冲安排2个电子在完全相同的瞬间回归原子，可以将它们的能量一次性释放出来。当总能量成倍增加时，就能产生单个更高能量、更高频率的X射线光子。这种协同释放机制使得X射线光子能量大幅超越了传统能量截止上限。
实验光谱分析证实了双电子机制的存在。研究人员在辐射光谱中观察到了第2个持续辐射平台区，其延伸范围远超传统理论预测。这种信号仅在氦原子实验中出现，而氩原子和氖原子实验未出现相同现象，这为氦原子特有的强电子量子关联提供了关键证据。
这一发现不仅突破了X射线能量极限，还为探索电子相互作用开辟了全新窗口。这种相干X射线辐射可作为极度灵敏感知的光谱工具，在阿秒(1阿秒等于100亿亿分之一秒)极短时间尺度上捕获电子动态。未来该原理有望拓展至分子与固态材料，为量子计算与新型纳米材料设计提供重要支撑。
原文：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/10/261027063713.htm