研究人員觀察到一種新的涉及X射線的混頻過程

不同光束之間的混頻過程是非線性光學領域的一個基石，自從激光的廣泛使用以來，該領域已經牢固確立。在一個合適的材料中（如某些晶體），兩束激光可以“感受到彼此的存在”。在這個過程中，能量和動量可以被交換，從而產生了從相互作用區出現的不同方向和不同頻率的額外激光束，這在可見光譜范圍內被視為不同的顏色。這些效應通常被用來設計和實現新的激光光源。

同樣重要的是，對混頻現象中出現的光束進行分析，可以深入了解發生混頻過程的材料的性質。這種基于混頻的光譜學使研究人員能夠了解試樣電子結構的復雜性，以及光如何激發材料并與之相互作用。然而，到目前為止，這些方法幾乎沒有在可見光或紅外光譜范圍之外使用。

來自柏林馬克斯·玻恩研究所（MBI）和漢堡德國電子同步加速器（DESY）的一個研究小組現在已經觀察到了一種新的涉及軟X射線的這種混頻過程。在氟化鋰（LiF）單晶中重疊軟X射線和紅外輻射的超短脈沖，他們看到兩個紅外光子的能量是如何轉移到X射線光子中或從X射線光子中轉移出來，在一個所謂的三階非線性過程中改變X射線“顏色”。他們不僅首次用X射線觀察到這一特殊過程，而且還能夠繪制出其在改變傳入X射線顏色時的效率。

事實證明，只有當這個過程涉及到一個來自鋰原子的內殼電子被提升到一種狀態，在這種狀態下，這個電子被緊緊地束縛在它留下的空位上--一種被稱為激子的狀態，混頻信號才是可以檢測到的。此外，與理論的比較表明，一個內殼電子的其他“光學上被禁止”的轉變對混頻過程有貢獻。

通過對這個共振四波混頻（FWM）過程的分析，研究人員得到了一個關于光激發電子在其非常短的壽命內所行進的詳細圖景。參與這項工作的博士生Robin Engel說：“只有當受激電子被定位在它所留下的空洞附近時，我們才能觀察到四波混頻信號，而且由于我們使用了一種特定顏色的X射線，我們知道這個空洞非常接近鋰原子的原子核?！?/p>

由于X射線能夠有選擇地激發材料中不同原子種類的內殼電子，所展示的方法允許研究人員在分子或固體中受到超快激光脈沖的刺激后追蹤電子的移動。確切地說，這樣的過程--電子在被光激發后向不同的原子移動--是光化學反應或光收集等應用中的關鍵步驟，例如，通過光伏或直接太陽能燃料發電。

“由于我們的混波光譜方法可以擴展到X射線激光器的更高的光子能量，周期表的許多不同原子可以被選擇性地激發。通過這種方式，我們預計將有可能追蹤電子在更復雜材料的許多不同原子上的瞬時存在，從而對這些重要的過程有新的認識，”MBI的研究員Daniel Schick解釋道。