这一发现源于维也纳工业大学（TU Wien）与加州大学圣地亚哥分校的合作，并建立在帮助确立了阿秒物理学领域的研究基础之上。20世纪90年代在维也纳工业大学开发的激光技术为获得2023年诺贝尔物理学奖认可的研究进展做出了贡献。
几十年来，科学家们已经明白，将激光照射某些原子会导致其发射频率极高、波长极短的光脉冲，其中包括X射线。然而，既有的理论根据入射激光的特性预测了这些发射的最大能量。超过这一界限（即所谓的能量截止限），X射线的产生会变得极其微弱。
这项新实验表明，当两个电子以特定方式相互作用时，这一众所周知的界限是可以被突破的。该研究成果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）上。
激光如何产生强大的X射线脉冲
“短X射线脉冲背后的机制早已为人所知，”维也纳工业大学光子学研究所的Tenio Popmintchev教授说。“激光将单个电子从原子中剥离出来。随后，电子在激光电场中被加速，直到最终再次与原子发生碰撞。电子在此过程中损失的能量以光的形式发射出来。”
在此过程中，激光电场先将脱离束缚的电子驱离其母原子，然后再将其带回。当电子返回并释放其能量时，它产生的光频率远高于原始激光束的频率。
诺贝尔奖得主费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）在20世纪90年代的先驱实验中使用了这一机制。Tenio Popmintchev和他的同事们如今在克劳斯早期开展研究的同一所维也纳工业大学研究所工作，但他们的最新实验将这一过程推向了此前认知的界限之外。
“可以证明，当电子返回其原子时，它会产生一系列强度大致相等的不同频率，”维也纳工业大学Tenio Popmintchev团队的博士后Dimitar Popmintchev说。“但存在一个上限。高于此上限的频率要弱得多；根本不可能超过某个最大频率。”
这一预测描述的是涉及单个电子的常规过程。研究人员想知道，如果由两个电子参与，结果是否会发生变化。
两个电子突破了预期的X射线能量极限
为了进行调查，研究团队利用强紫外（UV）激光脉冲与氦原子进行相互作用。与通常涉及一个电子的过程不同，该实验使得氦原子的两个电子能够被依次移除。
第一个电子被释放并被激光场加速，紧接着是第二个电子。尽管这两个电子在不同时刻被释放，但它们的行为通过量子关联保持着联系。这种关系意味着它们的运动不能被视为完全独立的。
通过精确控制紫外激光脉冲，研究人员能够安排两个电子同时返回原子。
“利用紫外驱动脉冲，我们可以安排两个电子在完全相同的时刻返回原子，”Dimitar Popmintchev说。“两个电子的能量随即一次性释放。当有更多能量可用时，也就能够产生单个频率更高、能量更高的X射线光子。”
这种协调的能量释放使得产生超过常规能量截止限的X射线光子成为可能。该过程不再依赖单个返回电子的能量，而是利用了两个相互作用电子的联合能量。
意外的X射线信号证实了这一发现
研究人员发现了明确的实验证据，表明双电子过程正在产生异常高能的X射线。
当他们检查发射出的相干辐射光谱时，他们识别出了第二个持续发射区域，其光子能量远高于标准理论的预测。这一额外区域被称为“平台”，虽然其强度弱于主要发射区域，但延伸到了此前确定的能量范围之外。
这一意外信号仅在研究人员使用氦气时出现。涉及氩气和氖气的类似实验并未在其外层电子中产生相同的行为。
这种差异为提出的解释提供了重要证据。氦原子的两个电子之间存在特别强的关联，使它们能够以实现能量同时释放的方式相互作用。在实验条件下，氩气和氖气的外层电子未表现出相同的效应。
通往量子物理学的新窗口
除了产生更高能量的X射线外，这一发现还为科学家提供了一种强大的新方法，用于研究电子在原子和其他材料内部如何相互作用。
这种异常的相干X射线发射可以作为探测电子-电子关联的高灵敏度光谱“传感器”。通过研究发射光谱的形状、其最大能量以及它如何随激光偏振变化，研究人员可以获得关于电子在极短时间尺度上相互作用行为的信息。
这些相互作用发生在阿秒（attoseconds）量级，一阿秒等于十亿分之一秒的十亿分之一。以这种速度观察过程对于理解电子如何在量子系统中运动并相互影响至关重要。
最终，同一原理可能会从单个氦原子扩展到电子存在强烈相互作用的分子和固体材料。
这一发现背后的技术被称为高次谐波产生，它最初帮助实现了阿秒物理学。如今，研究人员发现它还能揭示多个相互作用量子粒子的复杂行为。
这些见解可能有助于量子计算研究，并帮助科学家理解和设计具有精细可控特性的先进纳米材料。