开创科技新时代！详解世界上最强大的X射线激光器
美国SLAC国家加速器实验室的一个3公里长的电子加速器
《自然》杂志报道称最强大的X射线激光器于9月12日发射了第一束光。该激光器位于加利福尼亚门洛帕克，全功率运行时每秒将产生一百万束X射线脉冲。名为LCLS-II的仪器让科学家们非常兴奋，因为它能够创造超快速过程的高速影像，包括化学反应中电荷在原子间跳跃的过程。这些研究可能揭示光合作用的秘密，并有助于开发用于计算系统的新型电子材料。
耗资11亿美元的Linac Coherent Light Source（LCLS）升级工程已经进行了十多年。这次升级将使仪器的重复频率提高了大约8000倍，平均亮度提高了大约10000倍。这些改变将使化学家和生物学家能够制作出前所未有的清晰分子影片，并能够观察到其他仪器无法看到的罕见分子事件。
“我们正在等待LCLS-II，这样我们就可以进行我们已经准备了十年的梦想实验，”加利福尼亚伯克利的劳伦斯伯克利国家实验室的分子生物物理学家Junko Yano表示。
超快速科学
LCLS（Linac Coherent Light Source）是一个科学研究设施，它于2009年启动，成为了世界上第一个将高能“硬”X射线的原子探测能力与激光速度相结合的仪器，现在称其为LCLS-I。该设施拥有一条长达3公里的粒子加速器，通过这条加速器将电子传输到一组磁性螺旋器中，使电子束从一侧摇摆到另一侧并发射出X射线。其中一组产生“硬”X射线，另一组产生能量较低的“软”X射线。当时，科学家们对这个设施的可行性并不确定，但LCLS-I最终证明了这个设想是可行的。
LCLS-I的成功引发了其他国家的效仿，类似的系统在韩国、日本、瑞士和德国等地建造。这些设施的出现，让科学家们能够进行更快速、更精细的研究，揭示了更多的科学现象和机理。欧洲自由电子激光器（XFEL）就是其中之一，它于2017年对用户开放，是一场具有原子分辨率的超快速科学革命。
LCLS-I的升级工程将电子加速器上的部分铜管替换为低温冷却的铌腔。这些铌腔在降至约2开尔文的温度时可以实现超导，从而几乎零电阻地连续传导电子。这项技术的引入使得LCLS-II能够实现更快的X射线脉冲频率。目前，该设备的超冷部分只能产生软X射线。
原计划于2020年完成升级并启动的LCLS-II，因多种因素，包括COVID-19大流行，导致了时间表的调整，Dunne表示：“这是全新的技术。”他补充说，甚至运送超导腔从伊利诺伊州到全国各地都需要一定时间来解决。
超越竞争对手
化学家和生物学家们对升级工作充满期待。Yano利用LCLS-I和日本的X射线自由电子激光器，揭示了光合作用中一个叫做光系统II的蛋白质复合物是如何在原子层面上分解水并产生氧气的。她和合作者们聚焦于复合物中一个关键的金属原子团簇，并追踪其在释放氧气之前经历的四个能量状态的结构变化。他们在今年的《自然》杂志上发表了这些结果。
然而，Yano希望进一步深入研究。“了解结构只是一个方面，”她说。“我们还想知道金属周围的电荷是如何分布的，以及复合物中电子的‘自旋’是如何变化的。”这将帮助研究团队了解光合作用的发生机制，并有助于那些希望在太阳能燃料生产系统中模仿这一过程的研究人员。而要进行这项实验，就需要极快速的软X射线脉冲。Yano表示，只有LCLS-II这样的设施才能满足这一要求。她的团队已经提交了申请，希望能够使用该仪器。
Dunne表示，LCLS-II的X射线脉冲之所以令人激动，是因为它们的强大能量使科学家能够使用更稀释的化学物质和生物分子样本进行研究。这将节省光化学研究人员数年的时间，因为他们不再需要合成大量的新分子来进行研究。同时，这也将使化学家能够在更真实的条件下研究有前途的催化剂，这些催化剂通常微量使用以加速反应。
SLAC团队已经计划了下一轮升级，将硬X射线束的脉冲频率提升到兆赫兹。目前，欧洲XFEL是最快的硬X射线源，每秒产生27000个脉冲。然而，中国上海正在建设的另一台X射线激光器也可能在2025年之后投入使用。
“我相信我们会被超越的，”Dunne说道。通常情况下，一个设施会保持纪录一段时间，直到另一个设施进行升级并变得更强大，“我们互相推动着进步。”Pascarelli说道。
目前，SLAC团队正在庆祝多年的工作，并评估来自世界各地科学家的提案，他们希望使用LCLS-II推进他们的研究。
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