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X射线自由电子激光装置 把生命科学带入“分子电影”时代

2016-03-14 09:50
孤身万里游
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  上海光源,是张江综合性国家科学中心的第一地标,其鹦鹉螺造型集科学与艺术于一体。作为全球最先进的第三代同步辐射光源之一,上海光源是科研人员从事物理、化学、生物、材料、能源等多学科研究的利器。去年,我国科学家借助上海光源发现了外尔费米子,揭示了埃博拉病毒机理。如今,上海光源二期线站工程即将开建,“鹦鹉螺”旁的X射线自由电子激光试验装置正加紧建设,计划今年底调束出光。

  如果说,第三代同步辐射光能为科学家拍摄“分子照片”,那么被称为“第四代先进光源”的X射线自由电子激光,能把生命科学带入“分子电影”时代,对生物活体细胞进行三维全息成像和显微成像。

  “梦之线”助科学家找到“幽灵粒子”

  虽然寒假刚结束,但不少高校、院所的科研人员已在“鹦鹉螺”投入工作。在软X射线能区覆盖能量最宽的“梦之线”,中科院物理研究所的博士生孔令元,正在利用角分辨光电子能谱仪探测一件单晶样品。“世界上适合探测单晶的光源并不多,上海光源发出的软X射线,可以在低能区测单晶表面,在高能区测单晶体态。”孔令元指着这台硕大的仪器告诉记者。

  去年,中科院物理研究所的丁洪研究组,正是借助上海光源的角分辨光电子能谱仪,证实了理论预言的三维电子能谱和费米弧。这一成果,被欧洲物理学会评为“2015年度国际物理学十大突破”之一,相继入选“2015年中国十大科技进展新闻”和“2015年度中国科学十大进展”。1929年,德国物理学家外尔提出,当质量为零时,狄拉克方程描述的是一对能量相同但具有相反手性的新粒子,即外尔费米子。80多年过去,人们一直未能观测到这种神奇的粒子。在“梦之线”帮助下,我国科学家去年找到了这种隐身80多年的“幽灵粒子”。

  外尔费米子的发现,提出了很多新的科学问题,也为开发低能耗电子器件等变革性技术提供了新思路。中美等国科研团队正在进一步深入探索,上海光源“梦之线”是中国团队参与这场国际竞争的强大装备。

  打造“光剑”,对活细胞三维全息成像

  上海光源的装备还在不断升级。目前,“鹦鹉螺”旁的X射线自由电子激光试验装置正在建设,计划今年底调束出光,2018年正式投入使用。升级的X射线自由电子激光用户装置也已得到立项批复。

  中科院应用物理研究所所长赵振堂介绍,“鹦鹉螺”是第三代同步辐射光源,而X射线自由电子激光属于第四代先进光源,其峰值亮度比第三代同步辐射光源高9—10个量级(即10的9—10次方);成像时间尺度可达到飞秒量级(1秒的1000万亿分之一),比第三代同步辐射光高3个数量级;而且相干性更好,属于相干的X射线光源。

  在设施外观上,X射线自由电子激光用户装置是狭长型建筑,加速器长200多米,建筑总长500米左右,好似一柄光剑。这柄“光剑”有两个重要波段:“水窗”(波长2.3—4.4纳米)和“磁窗”(波长1—2纳米)。在“水窗”波段,水中的氧基本透明,生命物质的主要元素——碳却有很强的吸收。利用这个波段的软X射线,可以在很好的对比度下观测活体细胞和生物样品,实现生物学家的一大梦想:对生物活体细胞进行三维全息成像和显微成像。下转◆5版(上接第1版)而且,由于成像时间精度达到飞秒级,X射线自由电子激光拍摄到的可不是生物分子“照片”,而是“视频”。鉴于此,上海科技大学计划在X射线自由电子激光试验装置上,建立“活细胞成像平台”,以纳米级分辨率、飞秒级速度探测细胞奥秘,为生命科学研究提供前所未有的装备。而在“磁窗”波段,存在大量原子共振吸收边,对研究超快、大容量磁光存储器件有重要作用。

  二期线站工程将大幅提升实验能力

  今年下半年,上海光源二期线站工程也将开工建设。“鹦鹉螺”现有13条光束线站在运行,二期工程将新建16条线站,耗时6年、预算16.8亿元。开建3年后,线站就会陆续投入使用。

  赵振堂介绍,上海光源近期规划了20多条光束线站。通过安装波荡器、扭摆器这两种插入件光源,这台“巨型X光机”发出的各种高性能同步辐射光,会不断引入新的线站,从而大幅度增加实验方法、提升实验能力,让更多科研用户汇聚在上海光源,开展高水平前沿研究。在二期工程的16条线站中,有3条会从“鹦鹉螺”体内延伸出来,建在“鹦鹉螺”旁的人工湖上。

  除了二期工程的光束线站,另有7条线站也在建设或设计中。其中,国家自然科学基金委出资建设2条,用于研究能源和环境材料,明年建成;中石化建设3条,研究催化和高分子材料;中国工程物理研究院建设2条,研究极端条件下的物理现象。

  上海光源投入使用6年多来,已有385家单位、1900多个课题组、12000多人成为用户,取得了众多有价值、有影响力的科研成果,其中3项入选“中国科学十大进展”,3项入选“中国科技十大进展新闻”,1项被美国《科学》“十大突破”引用,1项入选欧洲《物理世界》“十大突破”。从地域分布上看,上海光源的用户几乎覆盖我国所有省市自治区,还有10多个国家的科研人员以合作形式来到这里,开展研究工作。随着更多线站以及X射线自由电子激光试验装置的建成,将有更多国内外用户慕名而来,催生更多源头创新成果。

 

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