不同光束之間的混頻過(guò)程是非線性光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)基石，自從激光的廣泛使用以來(lái)，該領(lǐng)域已經(jīng)牢固確立。在一個(gè)合適的材料中（如某些晶體），兩束激光可以“感受到彼此的存在”。在這個(gè)過(guò)程中，能量和動(dòng)量可以被交換，從而產(chǎn)生了從相互作用區(qū)出現(xiàn)的不同方向和不同頻率的額外激光束，這在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)被視為不同的顏色。這些效應(yīng)通常被用來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)新的激光光源。

同樣重要的是，對(duì)混頻現(xiàn)象中出現(xiàn)的光束進(jìn)行分析，可以深入了解發(fā)生混頻過(guò)程的材料的性質(zhì)。這種基于混頻的光譜學(xué)使研究人員能夠了解試樣電子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及光如何激發(fā)材料并與之相互作用。然而，到目前為止，這些方法幾乎沒(méi)有在可見(jiàn)光或紅外光譜范圍之外使用。

來(lái)自柏林馬克斯·玻恩研究所（MBI）和漢堡德國(guó)電子同步加速器（DESY）的一個(gè)研究小組現(xiàn)在已經(jīng)觀察到了一種新的涉及軟X射線的這種混頻過(guò)程。在氟化鋰（LiF）單晶中重疊軟X射線和紅外輻射的超短脈沖，他們看到兩個(gè)紅外光子的能量是如何轉(zhuǎn)移到X射線光子中或從X射線光子中轉(zhuǎn)移出來(lái)，在一個(gè)所謂的三階非線性過(guò)程中改變X射線“顏色”。他們不僅首次用X射線觀察到這一特殊過(guò)程，而且還能夠繪制出其在改變傳入X射線顏色時(shí)的效率。

事實(shí)證明，只有當(dāng)這個(gè)過(guò)程涉及到一個(gè)來(lái)自鋰原子的內(nèi)殼電子被提升到一種狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，這個(gè)電子被緊緊地束縛在它留下的空位上--一種被稱為激子的狀態(tài)，混頻信號(hào)才是可以檢測(cè)到的。此外，與理論的比較表明，一個(gè)內(nèi)殼電子的其他“光學(xué)上被禁止”的轉(zhuǎn)變對(duì)混頻過(guò)程有貢獻(xiàn)。

通過(guò)對(duì)這個(gè)共振四波混頻（FWM）過(guò)程的分析，研究人員得到了一個(gè)關(guān)于光激發(fā)電子在其非常短的壽命內(nèi)所行進(jìn)的詳細(xì)圖景。參與這項(xiàng)工作的博士生Robin Engel說(shuō)：“只有當(dāng)受激電子被定位在它所留下的空洞附近時(shí)，我們才能觀察到四波混頻信號(hào)，而且由于我們使用了一種特定顏色的X射線，我們知道這個(gè)空洞非常接近鋰原子的原子核。”

由于X射線能夠有選擇地激發(fā)材料中不同原子種類(lèi)的內(nèi)殼電子，所展示的方法允許研究人員在分子或固體中受到超快激光脈沖的刺激后追蹤電子的移動(dòng)。確切地說(shuō)，這樣的過(guò)程--電子在被光激發(fā)后向不同的原子移動(dòng)--是光化學(xué)反應(yīng)或光收集等應(yīng)用中的關(guān)鍵步驟，例如，通過(guò)光伏或直接太陽(yáng)能燃料發(fā)電。

“由于我們的混波光譜方法可以擴(kuò)展到X射線激光器的更高的光子能量，周期表的許多不同原子可以被選擇性地激發(fā)。通過(guò)這種方式，我們預(yù)計(jì)將有可能追蹤電子在更復(fù)雜材料的許多不同原子上的瞬時(shí)存在，從而對(duì)這些重要的過(guò)程有新的認(rèn)識(shí)，”MBI的研究員Daniel Schick解釋道。