瑞士SwissFEL实现极低温X射线观测量子态

瑞士保罗·谢勒研究所(PSI)科研人员近日介绍，瑞士自由电子激光器(SwissFEL)克里斯塔利纳实验站已可在接近绝对零度的条件下，利用X射线散射观测只在极低温环境中出现的量子态。

西蒙·格伯(左)和比尔·佩德里尼(右)在瑞士自由电子激光器(SwissFEL)的克里斯塔利纳实验站。借助连接到光束线的定制低温恒温器(最左侧)，现在可以在极低温度下研究量子态。保罗·谢勒研究所 PSI/马库斯·费舍尔

据介绍，研究团队近期在实验中实现了35毫开尔文的低温条件，约比绝对零度高0.035开尔文。这是当前实验装置所能达到的最低温度。相关科研人员表示，据其所知，这也是迄今利用X射线散射开展测量时达到的最低温度。

极低温环境对于量子研究至关重要。许多特殊量子态只会在接近绝对零度时出现。研究团队的目标，是借助SwissFEL在这一温度范围内对量子态及其动力学过程进行成像，从而观察过去难以直接捕捉的瞬态现象。

该实验思路借鉴了结构生物学中的“衍射先于破坏”原理。X射线实验通常会导致样品升温并产生辐射损伤，但X射线自由电子激光脉冲持续时间极短，通常只有几十飞秒甚至更短，同时具备很高强度，因此能够在样品被加热或破坏前记录其瞬时结构信息。

科研人员将SwissFEL形容为一台面向原子世界的超高速相机：在样品温度降至极低后，利用一道强X射线脉冲完成“快照”，尽可能在X射线加热抑制量子态之前捕捉其状态。这一实验站的建成，为低温量子态、量子动力学以及材料研究提供了新的观测窗口。