研究人员观察到一种新的涉及X射线的混频过程

不同光束之间的混频过程是非线性光学领域的一个基石，自从激光的广泛使用以来，该领域已经牢固确立。在一个合适的材料中（如某些晶体），两束激光可以“感受到彼此的存在”。在这个过程中，能量和动量可以被交换，从而产生了从相互作用区出现的不同方向和不同频率的额外激光束，这在可见光谱范围内被视为不同的颜色。这些效应通常被用来设计和实现新的激光光源。

同样重要的是，对混频现象中出现的光束进行分析，可以深入了解发生混频过程的材料的性质。这种基于混频的光谱学使研究人员能够了解试样电子结构的复杂性，以及光如何激发材料并与之相互作用。然而，到目前为止，这些方法几乎没有在可见光或红外光谱范围之外使用。

来自柏林马克斯·玻恩研究所（MBI）和汉堡德国电子同步加速器（DESY）的一个研究小组现在已经观察到了一种新的涉及软X射线的这种混频过程。在氟化锂（LiF）单晶中重叠软X射线和红外辐射的超短脉冲，他们看到两个红外光子的能量是如何转移到X射线光子中或从X射线光子中转移出来，在一个所谓的三阶非线性过程中改变X射线“颜色”。他们不仅首次用X射线观察到这一特殊过程，而且还能够绘制出其在改变传入X射线颜色时的效率。

事实证明，只有当这个过程涉及到一个来自锂原子的内壳电子被提升到一种状态，在这种状态下，这个电子被紧紧地束缚在它留下的空位上--一种被称为激子的状态，混频信号才是可以检测到的。此外，与理论的比较表明，一个内壳电子的其他“光学上被禁止”的转变对混频过程有贡献。

通过对这个共振四波混频（FWM）过程的分析，研究人员得到了一个关于光激发电子在其非常短的寿命内所行进的详细图景。参与这项工作的博士生Robin Engel说：“只有当受激电子被定位在它所留下的空洞附近时，我们才能观察到四波混频信号，而且由于我们使用了一种特定颜色的X射线，我们知道这个空洞非常接近锂原子的原子核。”

由于X射线能够有选择地激发材料中不同原子种类的内壳电子，所展示的方法允许研究人员在分子或固体中受到超快激光脉冲的刺激后追踪电子的移动。确切地说，这样的过程--电子在被光激发后向不同的原子移动--是光化学反应或光收集等应用中的关键步骤，例如，通过光伏或直接太阳能燃料发电。

“由于我们的混波光谱方法可以扩展到X射线激光器的更高的光子能量，周期表的许多不同原子可以被选择性地激发。通过这种方式，我们预计将有可能追踪电子在更复杂材料的许多不同原子上的瞬时存在，从而对这些重要的过程有新的认识，”MBI的研究员Daniel Schick解释道。