示意图说明两个薄层穆斯堡尔核和X射线之间的相互作用，X射线在两个耦合腔组成的系统中经过多次反射。原子核在空穴中的强辐射耦合导致了两个核团之间周期性的激发能量交换，这称之为拉比振荡。援引：DESY, Ralf Röhlsberger/Boris Kumicak

　　X 射线与物质的相互作用很微弱。这是其在许多应用中的最大优势，也是在其他应用中的根本劣势。特别是非线性光学和量子光学领域，光学基础包括基础科学和技术应用中，均需要有强的相互作用。因此通过各种努力，进一步加强X射线体系中光和物质的相互作用。实现这一目标的途径之一就是利用所谓的谐振过程。在原子共振(与激发态下推动原子所需的能量完全匹配的波长)下的X射线吸收可能比非共振条件下大几个数量级。目前由 DESY 科学家Ralf Röhlsberger主导的一项新的研究展示了一种提高和控制 X 射线与共振原子系统相互作用的新方法。

　　从某种意义上来说，光和物质相互作用的最终水平将是形成光和物质的复合状态。在这种情况下, 激发能量周期性地在样品内多次发射和重吸收。“这些‘拉比振荡’表现为从系统中出射光的一种特有的时间模式，” Röhlsberger解释道。在X射线区间内，所有物质最强烈的共振是在所谓的穆斯堡尔同位素(以1961年诺贝尔物理学奖获得者Rudolf Mössbauer命名)的原子核中发现的。其提供了额外的优势，即其寿命可以是几十纳秒(一纳秒等于十亿分之一秒)，以便观察其时间动态。目前汉堡 DESY、海德堡马克斯-普朗克核物理研究所以及格勒诺布尔的欧洲同步辐射中心的研究人员利用某种形式的元素铁首次观察到X射线的拉比振荡(穆斯堡尔同位素57Fe)。

　　“通常，在光学腔内观察拉比振荡，”DESY的第一作者Johann Haber说，其本质上是两个反射镜，光在其中来回反射。如果将一个原子置于其中，原子能被吸收并重新发射该辐射——因为反射镜将其反射回来，这个过程能够往复一段时间，导致拉比振荡。“然而，这在X射线物理学中是行不通的，因为没有这样的X射线反射镜，那是给可见光用的，” Haber解释道。“虽然可以搭建X射线腔并观察它们的许多量子光学现象，但是在这种系统中，显然无法达到强耦合极限。原因很简单，空腔的共振寿命非常短(在飞秒级别，即一千万亿分之一秒)，发射到腔中的光子还未与原子核再次作用就已离开腔。”

　　测量两个耦合空腔反射强度与时间的关系曲线。该信号表现出正弦调制，说明两个核团之间激发能量周期性交换。这是拉比振荡的典型特征。在为该系统开发的量子光学 (QO) 模型中可以相当准确地描述它。援引: DESY

　　因此需要一种不同的方法。关键在于制备两个耦合的腔，每个腔都包含薄层的57Fe核。“这会彻底改变现状，”R?hlsberger说。“如果其中一层发射出一个光子，这个光子几乎可以瞬间逃逸。但它很可能不会移动至相邻的腔中，在那它将被第二层57Fe核吸收。发射时该过程将重复。在某种程度上，光子现在不是在腔模式和原子之间交换, 而是在两个原子集合之间。

　　这一方法为观察X射线体系中的非线性光学效应开辟了新的视角。“一个有趣的研究途径是观察当不止一个光子进入系统时是否发生非线性效应，” 马克斯-普朗克核物理研究所的参与作者Adriana Palffy说。“这已经通过光学辐射观察到，并且可以在X射线区间内重复，例如汉堡的自由电子X射线激光器--新的欧洲自由电子激光器(XFEL)。” 此外，这些耦合的空腔可用于产生X射线的非经典状态，可能有助于实现全新的X射线技术，例如具有所谓的纠缠光子状态的成像技术或光谱技术。

　　来源：中国激光网

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