100阿秒，10太瓦

1阿秒是百亿亿分之一秒。如此短的光脉冲能让人们在电子自身的自然时间尺度上，直接观察原子、分子和固体中电子的运动——这一领域获得了2023年诺贝尔物理学奖。台式光源可以产生阿秒脉冲，但能量有限，在短波长下尤其如此。这就排除了“强驱动”实验，即用光强烈驱动电子的实验。

自由电子激光器突破了这一限制。在这类装置中，一束以接近光速运动的电子穿过一长排交替排列的磁铁，即波荡器。电子束中微小的密度涨落会自我放大，直到电子辐射出强烈的X射线闪光。已有多座此类装置能常规产生阿秒X射线脉冲，能量可达数百微焦。

束团越短，闪光越短

要获得阿秒闪光，产生激光的电子束团本身必须极短。来自德国电子同步加速器研究所（DESY）、欧洲XFEL、多特蒙德工业大学以及汉堡大学和卡塞尔大学的Evgeny Schneidmiller及其37位同事，在位于德国申讷费尔德的超导X射线激光装置——欧洲XFEL上，将这一点推向了极致。

欧洲XFEL的布局：本研究使用的五个压缩阶段以绿色圆圈标出。——图1，Schneidmiller等（2026），arXiv:2609.31534。

压缩五次而非三次

在常规运行中，束团会经过三个使其缩短的磁“啁啾器”（chicane），最后一个有意只做部分压缩。研究团队彻底改变了这一切：

• 第三个磁啁啾器现在对一个相当重的350皮库仑束团进行完全压缩。
• 一个通常不起作用的准直段变成了第四级：让束流在14.3 GeV下运行，比其标称能量高出300 MeV，从而激活一种二阶效应，对束团作进一步压缩。
• 通过失调一对聚焦磁铁，两条波荡器线之间的弯转段变成了第五级。束团在穿过上游一台200米长的波荡器时，已经获得了合适的能散。

模拟显示，束团被压缩到一微米以下，峰值电流达15万安培——对X射线激光器来说异常之高，尽管在这条光束线上无法直接测量。高电子能量是关键：作者指出，若采用其他装置产生软X射线时所用的3至4 GeV，这样一个束团的能散会使激光无法工作。

一阿秒中的毫焦能量

在2025年和2026年进行的三轮实验中，产生了1000电子伏特（波长约1.2纳米）的X射线闪光。根据轮次不同，20%至39%的脉冲在光谱中呈现单一、干净的尖峰，平均能量为1.2至2.0毫焦。单个脉冲的能量可达3毫焦，谱宽为10至30 eV。

脉冲持续时间是由光谱推断出来的：一个谱宽18 eV的脉冲，在最理想情况下对应约100阿秒。将谱宽与能量作图后，在这一理想假设下，57%的单尖峰事件位于对应10太瓦峰值功率的曲线之上；即使在悲观假设下，也有6%位于其上。

每个点代表一个单尖峰X射线脉冲。位于虚线曲线上方的点对应高于10太瓦的峰值功率。——图4，Schneidmiller等（2026），arXiv:2609.31534。

逐个挑选

脉冲持续时间并不是直接在时间上测量的：光谱无法给出光的相位信息，因此这一估计依赖于一个标准模型，以及近期的测量结果——这些测量显示此类脉冲接近其可能的最短持续时间。各次发射之间的波动也很大。但欧洲XFEL每秒可提供多达数万个脉冲，而且每个脉冲的能量和光谱都可以在不破坏脉冲的情况下记录下来。用户将能够只保留最短、最强的闪光——作者写道，这是观察被推向极限的电子的一个全新领域。