圖片來(lái)源：SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室

SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的 X 射線激光器建立在加利福尼亞州門洛帕克的 3 公里直線加速器上。

“小心碰頭; 小心你的腳，”Eric Fauve 在進(jìn)入一個(gè)低溫植物時(shí)說(shuō)道，他坐在北加州干草、桉樹(shù)和橡樹(shù)的景觀中。“我們有響尾蛇、鹿、美洲獅——我們離這里很遠(yuǎn)。”

Fauve 是SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室低溫裝置的負(fù)責(zé)人，他指出一系列熱交換器和壓縮機(jī)可將氦氣冷卻成 4 K 的液體。液氦通過(guò)一系列泵，逐漸降低壓力，使液體膨脹并膨脹。將其冷卻到 2 K。它的目的地是地下 30 m，氦氣將幫助冷卻通過(guò) 280 號(hào)州際公路下方的 3 公里長(zhǎng)設(shè)備的一部分，該州際公路是連接舊金山和圣何塞的附近高速公路。

該設(shè)施是 SLAC 的直線加速器相干光源 (LCLS)。這種過(guò)冷的氦氣有助于光源的一個(gè)新部分，稱為 LCLS-II，每秒發(fā)射破紀(jì)錄的 100 萬(wàn)個(gè)極亮 X 射線脈沖。借助今年晚些時(shí)候定期提供的這種火力，化學(xué)家和材料科學(xué)家可以有效地減慢時(shí)間并放大原子和電子的超快、超小和極其怪異的世界。

“在飛秒的閃光中，你可以看到原子靜止不動(dòng)，單個(gè)原子鍵斷裂，”斯坦福大學(xué)和 SLAC 聯(lián)合任命的材料科學(xué)家Leora Dresselhaus-Marais說(shuō)。Sakura Pascarelli 說(shuō)，這種被稱為 X 射線自由電子激光器 (XFEL) 的超亮、超快光源已經(jīng)存在了十年，但它變得越來(lái)越強(qiáng)大。她是位于德國(guó)漢堡郊外的另一個(gè)此類來(lái)源的科學(xué)主管：歐洲 XFEL。Pascarelli 對(duì) SLAC 當(dāng)前的升級(jí)感到興奮，并預(yù)計(jì) LCLS 和其他此類光源在未來(lái)幾年會(huì)變得更加強(qiáng)大。

隨著這些機(jī)器觀察原子和電子行為的能力得到提高，Pascarelli 預(yù)計(jì)激光最終將闡明光合作用的機(jī)制，實(shí)時(shí)觀察電子在化學(xué)鍵形成和斷裂時(shí)的運(yùn)動(dòng)，并幫助科學(xué)家創(chuàng)造新的材料類別這只會(huì)在極端條件下形成，她說(shuō)，“我們所知道的化學(xué)不再發(fā)生”。

X射線的力量

X 射線自由電子激光器只是光譜學(xué)和成像中使用的一種 X 射線源。幾十年來(lái)，X 射線光譜學(xué)一直幫助科學(xué)家識(shí)別和繪制晶體和分子中的原子。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的原子物理學(xué)家Linda Young說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來(lái)自這部分電磁頻譜的獨(dú)特特性。X 射線波長(zhǎng)極短，這意味著用這些光子轟擊樣品可以發(fā)現(xiàn)單個(gè)原子。元素以特征 X 射線波長(zhǎng)發(fā)光，使化學(xué)家能夠識(shí)別它們發(fā)現(xiàn)的原子。高能或“硬” X 射線也可以穿透堅(jiān)硬的材料，甚至是其他波長(zhǎng)的光無(wú)法穿透的密度極高的高能等離子體。

在 SLAC 于 2009 年啟動(dòng) LCLS 之前，最亮的 X 射線源是同步加速器。這些設(shè)施沿著圓形路徑加速電子并使用磁鐵擺動(dòng)它們，誘導(dǎo)電子發(fā)射 X 射線。Young說(shuō)，同步加速器提供了物理學(xué)家認(rèn)為相對(duì)較長(zhǎng)的光脈沖，持續(xù)數(shù)十皮秒。這種脈沖長(zhǎng)度限制了科學(xué)家對(duì)快速移動(dòng)事件進(jìn)行模糊處理的能力，限制了研究人員捕獲分子和材料中較慢過(guò)程的靜態(tài)圖像。

帕斯卡雷利表示，這仍然不是對(duì)同步加速器的影響，同步加速器是 X 射線科學(xué)的主力軍。“同步加速器對(duì)大型社區(qū)非常有用，”她說(shuō)。例如，在這些設(shè)施中，生物化學(xué)家拍攝了復(fù)雜蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的圖像，例如 SARS-CoV-2 刺突蛋白，材料科學(xué)家已經(jīng)檢查了電池材料的納米結(jié)構(gòu)。

信用：凱瑟琳布爾扎克/C&EN

保持 X 射線激光冷卻需要大量的氦氣，在冷卻前儲(chǔ)存在大型儲(chǔ)氣罐中。

但是 X 射線自由電子激光器正在突破 X 射線成像的極限。當(dāng) SLAC 打開(kāi) LCLS 時(shí)，它立即成為世界上最亮的 X 射線源。其他機(jī)器緊隨其后，包括歐洲 XFEL 以及在日本、瑞士和韓國(guó)制造的機(jī)器。中國(guó)也在建造一個(gè)。

與同步加速器源一樣，這些激光器使用波動(dòng)的磁鐵來(lái)擺動(dòng)高能電子并誘導(dǎo)它們發(fā)光。但在自由電子激光器中，電子以接近光速的緊湊束狀聚集。當(dāng)它們擺動(dòng)時(shí)，它們會(huì)在相對(duì)較長(zhǎng)的距離內(nèi)與它們發(fā)射的光子保持耦合。這種相互作用使光變得高度相干，這是所有激光的特性。一旦他們完成了他們的工作，電子就會(huì)用磁鐵從激光束中分離出來(lái)。結(jié)果是一束非常短、非常明亮、波長(zhǎng)可調(diào)的 X 射線脈沖。

自從這些光源在過(guò)去十年上線以來(lái)，化學(xué)家們利用它們強(qiáng)大的脈沖制作了碳和氧之間化學(xué)鍵形成的分子電影，確定了形成晶體的小分子的結(jié)構(gòu)，這些晶體太小而無(wú)法用其他方法繪制，觀察光合酶的作用，并模擬行星內(nèi)部鉆石的形成。

升級(jí)

LCLS 目前每秒產(chǎn)生 120 個(gè) X 射線脈沖，能量從大約 200 eV 到大約 11 keV。(X 射線束通常用能量而不是波長(zhǎng)來(lái)描述——能量越高，波長(zhǎng)越短。)隨著今年晚些時(shí)候上線的升級(jí)，該設(shè)施將產(chǎn)生兩束光束，其中一束最多 1每秒百萬(wàn)個(gè)脈沖，能量達(dá)到約 5 keV，一個(gè)以原始脈沖速率最高可達(dá) 25 keV 左右。升級(jí)還將使科學(xué)家能夠更好地調(diào)整產(chǎn)生的 X 射線的能量。

這些升級(jí)主要集中在操縱電子束的設(shè)備上。LCLS 的電子束來(lái)自于 1962 年在加利福尼亞州門洛帕克開(kāi)始運(yùn)行的大型粒子加速器。在最初的 LCLS 中，來(lái)自加速器的電子束在室溫下通過(guò)銅管內(nèi)的真空發(fā)射。通過(guò)銅泵浦的電流會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的電磁場(chǎng)，在電子行進(jìn)時(shí)為電子注入越來(lái)越多的能量。但銅只能導(dǎo)電這么多，因此必須打開(kāi)和關(guān)閉這些銅腔以防止損壞，將 X 射線激光的速率限制為每秒 120 個(gè)脈沖。

LCLS-II 的升級(jí)使得產(chǎn)生額外的光束成為可能。銅線的一部分已被超導(dǎo)空腔所取代，該空腔由 3 毫米厚的摻氮鈮片制成，形成肋管，看起來(lái)像棍子上的甜甜圈。從 Fauve 的低溫裝置中泵出的液氦將這些空腔冷卻到 2 K，即材料變得超導(dǎo)的溫度。因此，這種材料可以攜帶更多的能量而不會(huì)受到損壞，并且激光可以保持持續(xù)運(yùn)行。

信用：凱瑟琳布爾扎克/C&EN

Taran Driver 使用設(shè)備來(lái)測(cè)量簡(jiǎn)單分子系統(tǒng)中電子的量子行為。由于拍攝照片時(shí)儀器未運(yùn)行，因此不需要保護(hù)眼睛。

由于超導(dǎo)電子設(shè)備可以連續(xù)運(yùn)行，它們可以將大量能量泵入高速電子中，從而使 LCLS-II 的脈沖速率更快。原有的銅管線路將繼續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)將同時(shí)提供兩束X射線;這將使科學(xué)家能夠在更短的時(shí)間內(nèi)收集更多數(shù)據(jù)并進(jìn)行新型實(shí)驗(yàn)。這些增強(qiáng)功能是在 2020 年完成的增強(qiáng)功能的基礎(chǔ)上完成的，這些增強(qiáng)功能使用戶能夠調(diào)整 X 射線束的能量以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并增加了兩組新的可移動(dòng)的、起伏的磁鐵——每組用于硬 X 射線和軟 X 射線。

一些科學(xué)家已經(jīng)從波蕩器升級(jí)中受益。SLAC 量子物理學(xué)家 Taran Driver 利用將 X 射線束能量調(diào)整為零的能力，將樣本中感興趣的單個(gè)原子的能量調(diào)整為零。例如，他說(shuō)，“我可以將光束調(diào)整到與 N 或 O 相互作用的可能性更大的光子能量。” 今年早些時(shí)候，Driver 在用 X 射線束激發(fā)分子后，使用升級(jí)后的光源來(lái)跟蹤氮氧化物中電子的運(yùn)動(dòng)(Science 2022，DOI：10.1126/science.abj2096)。他說(shuō)，在這些尺度上，研究人員可以直接觀察到電子中的“幽靈般的量子效應(yīng)”。他和其他科學(xué)家對(duì)量子力學(xué)如何影響光驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移很感興趣——他們想更多地了解量子效應(yīng)如何解釋，例如，為什么光合作用如此有效。

Driver 對(duì)接下來(lái)將光束的可調(diào)諧性與 LCLS-II 的高脈沖率相結(jié)合感到興奮。他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種光譜儀，可以同時(shí)檢測(cè)分子被 X 射線轟擊時(shí)產(chǎn)生的電子和離子。在原始 LCLS 的較慢脈沖速率下，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上無(wú)法確定兩個(gè)粒子是否來(lái)自同一個(gè)分子。Driver 說(shuō)，在更高的速率下，研究人員將能夠做出這一決定，這將使他們能夠以以前不可能的方式研究單個(gè)分子事件。

學(xué)分：費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室

安裝在直線加速器相干光源之前的超導(dǎo)鈮腔之一

對(duì)于研究極端條件下材料行為的研究人員來(lái)說(shuō)，更快的脈沖速率也將是一個(gè)福音。化學(xué)家所說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力“并不是宇宙所認(rèn)為的標(biāo)準(zhǔn)”，SLAC 物理化學(xué)家 Benjamin Ofori-Okai 說(shuō)。借助 LCLS-II，他將研究在行星中心發(fā)現(xiàn)的極端條件下材料的特性。

在 LCLS 的一個(gè)實(shí)驗(yàn)站，強(qiáng)大的光學(xué)激光器可用于將材料推至模擬行星核心的壓力和溫度，創(chuàng)造前所未有的碳同素異形體，并產(chǎn)生原本不會(huì)出現(xiàn)的極端物質(zhì)狀態(tài)存在于地球表面。然后，材料科學(xué)家可以使用新的更高能量、更快的 X 射線束穿透這些極端的物質(zhì)狀態(tài)，并以高速對(duì)其進(jìn)行成像。Dresselhaus-Marais 和 Ofori-Okai 說(shuō)，這種研究將有助于開(kāi)發(fā)核聚變反應(yīng)堆的材料，并導(dǎo)致對(duì)地質(zhì)學(xué)和天文學(xué)的基本見(jiàn)解。

但新光束也將有助于研究不太極端的系統(tǒng)。SLAC 科學(xué)家 Kristjan Kunnus 期待有更簡(jiǎn)單的方法來(lái)研究溶液中的分子。Kunnus 使用 ChemRIXS 儀器。這些實(shí)驗(yàn)必須在真空中進(jìn)行——對(duì)于固體樣品來(lái)說(shuō)很容易，但對(duì)于液體樣品(例如溶液中的分子)則很棘手。ChemRIXS 使液體樣品循環(huán)通過(guò)真空室內(nèi)的微米厚通道，以便可以用軟 X 射線束照射溶液。為了使用當(dāng)前的 X 射線脈沖速率獲得足夠的分子數(shù)據(jù)，化學(xué)家必須提供高度濃縮的溶液。

信用：凱瑟琳布爾扎克/C&EN

使用此處顯示的 ChemRIXS 儀器，化學(xué)家可以用 X 射線光轟擊液體溶液來(lái)研究它們的光化學(xué)。“你必須加入更多的分子才能獲得更多的排放，”Argonne's Young 說(shuō)。“但那可能不是你想研究的系統(tǒng)。” 許多有趣的反應(yīng)發(fā)生在相對(duì)稀釋的系統(tǒng)中。根據(jù) Kunnus 的說(shuō)法，LCLS-II 更快的脈沖速率將使研究這些更現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)成為可能。

盡管有所有令人興奮的機(jī)會(huì)，LCLS-II 的高能 X 射線和快速脈沖也將為科學(xué)家們克服一些獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)障礙。例如，在一些實(shí)驗(yàn)中，研究人員會(huì)使用超靈敏傳感器來(lái)檢測(cè)單個(gè)電子。當(dāng) LCLS-II 的快速 X 射線脈沖導(dǎo)致樣品每秒發(fā)射數(shù)百萬(wàn)個(gè)電子時(shí)，“所有這些超、超靈敏的探測(cè)器都將被摧毀，”Driver 說(shuō)。速度更快的一系列 X 射線爆炸不僅會(huì)物理?yè)p壞現(xiàn)有的探測(cè)器，而且會(huì)因電子設(shè)備無(wú)法足夠快地卸載的數(shù)據(jù)而使它們的電路過(guò)載。

Driver 說(shuō)，他的合作者一直在開(kāi)發(fā)事件驅(qū)動(dòng)的相機(jī)，這些相機(jī)的像素只有在被他們成像的樣本中的電子擊中時(shí)才會(huì)打開(kāi)。他們正在設(shè)計(jì)的電路會(huì)在它們被傳遞之前當(dāng)場(chǎng)丟棄無(wú)趣的數(shù)據(jù)。

一旦他們掌握了如何使用這些新的 X 射線源，科學(xué)家們相信他們將為關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題提供獨(dú)特的見(jiàn)解，特別是在可再生能源領(lǐng)域。解開(kāi)光合作用的秘密是 X 射線自由電子激光器的一大賣點(diǎn)。這些知識(shí)可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)從陽(yáng)光中獲取能量的合成系統(tǒng)。光合作用“非常復(fù)雜，我們?nèi)匀徊恢廊绾斡行У貜?fù)制它，”Pascarelli 說(shuō)。“但如果可以的話，我們可以利用太陽(yáng)來(lái)解決很多問(wèn)題。”

為了讓科學(xué)家更徹底地研究光合作用，這些 X 射線激光器必須將快速脈沖速率與進(jìn)一步進(jìn)入硬 X 射線光譜的光束能量相結(jié)合。具有更高能量的光束將使科學(xué)家能夠確定特定電子在包括鐵在內(nèi)的較重元素上的運(yùn)動(dòng)。這在今天是不可能的。但 Pascarelli 表示，未來(lái)十年 SLAC 和其他設(shè)施的更多計(jì)劃升級(jí)將把高脈沖頻率源的波長(zhǎng)進(jìn)一步推向硬 X 射線范圍，金屬真正在這個(gè)范圍內(nèi)唱歌。在加入歐洲 XFEL 之前，Pascarelli 在同步加速器領(lǐng)域工作了 30 年。知道這些 X 射線激光器可以做什么，她預(yù)計(jì)這些強(qiáng)大的光源將像今天的同步加速器一樣成為常規(guī)。