Original 张新蕾编辑 激光评论 2022-05-18 11:30 Posted on 上海
近日，来自德国耶拿亥姆霍茨研究所等机构的科学家参与了产生极高纯度线偏振X射线的测试实验。研究团队基于德国汉堡地区的“European XFEL”装置，研发了一种可以输出极高偏振纯度的偏振控制装置。研究中的实验方法预计将应用于“真空双折射”的测量，以证明真空在某些条件下表现出双折射的介质属性——这是量子电动力学的重要预测。
图1 欧洲XFEL实验装置
（图源：欧洲XFEL| Heiner Müller-Elsner）
日常生活中，我们所能感知到自然光源，例如温暖的阳光、清冽的月光以及缤纷的霓虹，都不具有特定的偏振状态。随着激光器的诞生，光的偏振特性逐渐开始为人所知。电磁波的偏振状态决定了其电磁场在空间中的振荡平面，不同偏振模式的激光在凝聚态物理、非线性光学以及量子光学等诸多领域有非常广泛的应用情景。
偏振纯度是指一束光在两个互相垂直的偏振方向上的强度之比。在量子光学的领域中，研究人员往往希望以更高灵敏度的偏振变化状态，实现对于量子态的完美控制。这一点在具体的实验过程中，体现为对于具有“完美”偏振纯度光束的追求，即光子尽量都处于相同的偏振方向。
事实上，对自由电子激光(FEL)偏振状态的有效调控一直是FEL若干发展方向中备受关注的一种，虽然理论原理较为简单，但偏振控制器的实际设计却较为困难，例如软X射线在经过普通光学偏振控制器时产生巨大损耗，极大限制了高质量X射线FEL的输出。
目前，研究工作人员普遍采用在X射线输出端外接一个偏振控制模块的方式实现相关的调制效果，而随着研究的深入，偏振控制器的器件结构也在持续优化，圆偏振射线偏振纯度已经极其接近100%。在此背景下，高纯度线偏振X射线的实现似乎也成了一件水到渠成的事。然而现实则不尽如人意，线偏振控制器输出X射线的偏振纯度在很长一段时间都无法更进一步，其中的原因也一直未被科学家探明。
2018年，德国赫尔姆霍茨研究所的Kai Schulze教授发现了导致X射线偏振纯度无法更进一步的罪魁祸首——同步辐射光源不理想的发散效应。他在一次采访中谈到：“因为这个问题的存在，我们需要寻找一个发散度更好的光源来提升X射线偏振纯度”。
苦苦寻求突破的Schulze教授将目光落在了“European XFEL”装置上，他带领来自弗里德里希·席勒大学和德累斯顿-罗森道夫亥姆霍兹中心的研究团队设计了图2所示的偏振控制装置，该装置利用特殊的光学晶体和精确的对准方式，创造了线偏振X射线8×10 -11纯度的输出记录。
图2 Schulze教授团队所设计的偏振控制器[1]
这项创下记录的高纯度线偏振输出技术，自面世后已经在量子光学和固体中的电荷分布等研究方向上进行了多项实验。然而，Schulze教授主导的“真空双折射”效应的测量，也激发起众多研究人员的兴趣。
早在1936年，沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）和汉斯·欧拉（Hans Euler）就曾对真空中光与光的相互作用进行了详细的描述，但限于硬件的发展，这些效应至今仍未在实验中被直接观测。“真空双折射是最有希望直接检测光与光之间相互作用的效应”，Schulze教授解释到，“这个实验采用两束在真空中传播的光束，原光束的偏振状态会在与第二束强光碰撞时发生变化，而真空也因此而表现得像一个双折射晶体。这种效应对原光束产生的影响会随着波长的增大而减小，因此具有极短波长的X射线光源为高精度偏振检测装置的设计提供了一个极佳的方案”。
图3 European XFEL中高能量密度装置的搭建（图源：European XFEL| Jan Hosan）
Schulze教授表示， XFEL的高能量密度(HED)装置将在未来为此类实验提供理想的实验条件。目前研究团队已经拥有了一个可以对极细微偏振变化进行测量的装置。“真空双折射”效应实验的进行，不仅可以进一步巩固量子电动力学的基础，还将为探索未知的基本粒子提供线索。Schulze教授期望能够在未来几年内尽早启动第一批实验。
此外，费尔粒子加速器中心对未来实验的规划中，也包括了“真空双折射”效应测量装置所能够带来其他一些有趣的实验。Schulze教授提到：“如果我们成功地测量了真空双折射效应，这将为FAIR（反质子与离子研究装置）测量数据的解释工作带来极大程度的帮助”。
消息来源：
参考文献：
[1] K. Schulze., B. Grabiger, R. Loetzsch, et al. Towards perfectly linearly polarized x-rays. Phys. Rev. Research, 4: 013220 (2022).
