美国最具野心的激光器：世界最强X射线激光器

2013-07-30 00:04

　　这是迄今为止获得的世界上波长最短、颜色最纯的X射线激光，同时也使45年前的一个预言得到应验——可以像制造可见光激光一样，通过使原子内部电子从高能级向低能级跃迁并在这一过程中释放单色光来获得X射线激光。

　　研究人员利用斯坦福直线加速器相干光源（LCLS）发出的强大X射线脉冲，将密封舱内氖原子中的电子敲除，从而在氖原子外壳上留下狭小坑洞。当电子再回落填补这些小坑洞时，大约有1/50的原子通过发出一个在X射线范围内的光子来回应。由此，X射线激发临近更多的氖原子释放更多的X射线，就像“多米诺效应”般，将激光放大了2亿倍。

　　由于X射线能帮助人们深入观察分子和原子世界，该成就无疑等于开启了一扇向新科学发现进军的大门。相比号称世界最强大X射线激光器的LCLS发出的脉冲，原子X射线激光的波长只有其1/8，并且颜色更纯，能够清楚地区别以前不可能看到的超快反应的细节，将生物分子的工作情况“尽收眼底”。未来，二者更是可以强强联手，先由LCLS激发研究样本中的反应，再用原子X射线激光从原子级精度上捕捉这些瞬间即逝的反应细节。

　　2、最强X射线精确度堪比解剖刀

　　借助于一个细长条钻石，美国能源部斯坦福直线加速器中心(以下简称SLAC)国家加速器实验室的科学家将直线加速器连贯光源(以下简称LCLS)改造成一个精确度更高的工具，可用于探索纳米世界。经过这种改进，激光脉冲能够聚焦成非常狭窄的X射线波长，实现更高的强度，让此前不可能进行的一些实验成为可能。

　　在一个被称之为“自注入”的过程中，钻石将激光束过滤成单一的X射线波长，而后进行放大。这种升级相当于将短柄斧变成解剖刀，赋予科学家在原子层面进行研究和操控物质时更大的控制能力，也允许他们拍摄更加清晰锐利的材料、分子和化学反应照片。

　　SLAC科学家、研究论文合著者杰里-哈斯廷斯表示：“你的控制能力越强，所看发现的细节就越精细。近15年来，人们一直在讨论自注入技术。我们在SLAC进行研究时采取了这种由欧洲X射线自由电子激光装置项目和德国电子同步加速器中心的吉安卢卡-格罗尼、维塔利-科查亚和伊夫格尼-萨尔丁2010年提出的方法。我们的研究人员来自于SLAC和阿贡国家实验室，在研究这种激光时，我们吃惊地发现这项工程实际上非常简单并且具有成本效益。”

　　哈斯廷斯指出世界各地的实验室都计划对X射线激光装置进行升级。研究论文刊登在上周的《自然-光子学》杂志上。自注入技术能够产生强度远远超过当前的LCLS的X射线脉冲。强度提高的脉冲可用于进一步探测复杂材料，帮助解答与高温超导体等奇异物质或者拓扑绝缘体内的复杂电子态有关的一系列疑问。