前所未有的超高亮度XFEL脈沖也使得人們可以對(duì)硬X射線波段的非線性過(guò)程展開(kāi)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(gè)X射線光子和一個(gè)束縛電子作用產(chǎn)生一個(gè)高能光子。

　

圖3.氬原子在超短超強(qiáng)X射線脈沖作用下的多光子吸收過(guò)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(qiáng)磁場(chǎng)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(hào)，從而解釋了以往不同實(shí)驗(yàn)中觀察到的電荷密度波不同的現(xiàn)象，而且對(duì)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(duì)快速冷卻過(guò)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(guò)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(cè)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(guò)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(guò)程，過(guò)渡態(tài)是化學(xué)過(guò)程中最核心的部分，人們一直希望能夠直接觀測(cè)到過(guò)渡態(tài)。化學(xué)家們發(fā)展了一系列技術(shù)方法來(lái)研究該過(guò)程，但這仍然是一個(gè)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(shí)具有足夠空間和時(shí)間分辨率的方法在原子尺度與飛秒時(shí)間尺度上來(lái)研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(zhǎng)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(shí)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(guò)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(dòng)力學(xué)過(guò)程(該圖選用自Nature, 2014,509:345)