美国一支科研团队近期实现了在一万亿分之一秒内捕捉原子运动的壮举，采用的设备为紧凑型X射线光源，而非传统的大型科学装置。这项研究由亚利桑那州立大学的物理学教授阿尔温德·桑德胡领导，在该校的X-Beams设施进行。团队利用超快X射线脉冲观察了原子和电子在热激励后的重新排列，标志着首次用紧凑型设备追踪量子层面的变化。
实验中使用的紧凑型X射线光源是该大学X射线项目下的第一台仪器，能够生成极短的X射线脉冲，以检测物质进行快速结构变化的过程。研究聚焦于一种名为1T-二硫化钽的量子材料，因其独特的电子特性而被视为用于存储器、传感器和量子计算的重要材料。实验中，团队使用近红外激光脉冲激发材料，并用超快X射线脉冲探测其内部结构变化。
研究结果表明，激发触发了材料内电荷密度波的变化，即电子的排列模式，随着材料状态的变化，较小的区域合并形成更有组织的结构。助理教授塞缪尔·泰特尔鲍姆指出，X射线测量成功追踪到新相的形成与发展，展示了微观结构在几皮秒到几纳秒内的合并过程。
这项研究对ASU的X-Beams设施而言具有重要的里程碑意义，吸引了约80名研究人员参与，现已向其他科研人员开放以探索更多材料及生物结构。此外，研究团队计划将这项技术应用于与人类疾病相关的蛋白质及可再生能源领域。桑德胡表示，下一步目标是研究蛋白质晶体中的动态过程，而预计在2028年建成的第二台更快速的X射线仪器将进一步推动科学、工业和医学研究的发展。
这项成果显示，紧凑型设备具备了以往只有大型设施才能实现的观察能力，未来在半导体、医学或者量子计算领域的价值还需通过更多实验来验证。
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