前所未有的超高亮度XFEL脈沖也使得人們可以對硬X射線波段的非線性過程展開研究并發(fā)現(xiàn)了一系列硬X射線波段的非線性光學(xué)現(xiàn)象。比如，Glover 等人以鉆石作為混頻晶體，將8000 eV 和1.5 eV的光子混頻得到了能量為8001.5eV的光子，首次觀察到了硬X射線波段的混頻效應(yīng)。Shwartz等人觀察到了硬X 射線在鉆石中的倍頻效應(yīng)。Fuchs 等人發(fā)現(xiàn)了反常X射線雙光子康普頓效應(yīng)，即兩個X射線光子和一個束縛電子作用產(chǎn)生一個高能光子。

　

圖3.氬原子在超短超強X射線脈沖作用下的多光子吸收過程

在凝聚態(tài)物理的研究中，Gerber 等人利用飛秒X射線散射方法研究了強磁場下銅氧化物超導(dǎo)體中的條紋相電荷有序態(tài)，發(fā)現(xiàn)了可能與超導(dǎo)有緊密關(guān)系的三維電荷有序態(tài)信號，從而解釋了以往不同實驗中觀察到的電荷密度波不同的現(xiàn)象，而且對于建立銅氧化物超導(dǎo)體完整的物理圖像有很大的意義。Sellberg 等人對快速冷卻過程中的水滴進(jìn)行X射線相干衍射成像，研究了227K溫區(qū)的亞穩(wěn)態(tài)液相水及其相變過程。利用超快X射線衍射方法和高能激光沖擊波的結(jié)合，Milathianaki 等人測量了銅在超高壓力下發(fā)生在皮秒尺度下的結(jié)構(gòu)弛豫過程。

四、X 射線自由電子激光在化學(xué)中的應(yīng)用

化學(xué)鍵的斷裂和形成是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的必經(jīng)過程，過渡態(tài)是化學(xué)過程中最核心的部分，人們一直希望能夠直接觀測到過渡態(tài)�；瘜W(xué)家們發(fā)展了一系列技術(shù)方法來研究該過程，但這仍然是一個基本而且具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)難題，在很大程度上是由于我們?nèi)狈ν瑫r具有足夠空間和時間分辨率的方法在原子尺度與飛秒時間尺度上來研究化學(xué)反應(yīng)過程。XFEL的出現(xiàn)從根本上解決了這一難題。X射線由于它固有的短波長特性，因而天然具有原子尺度的空間分辨率。XFEL產(chǎn)生的飛秒X射線脈沖將納米尺度空間分辨率和飛秒尺度時間分辨率完美地結(jié)合在了一起，從而為我們提供了前所未有的技術(shù)手段去從本質(zhì)上研究化學(xué)反應(yīng)過程。

　　

圖4.多聯(lián)吡啶鐵配合物電子激發(fā)態(tài)的超快弛豫動力學(xué)過程(該圖選用自Nature, 2014,509:345)