全球最强X射线激光装置LCLS-II成功发射光束

X射线激光器在科学研究中扮演着至关重要的角色，尤其是在探索微观世界的结构和动态过程中。随着科技的进步和研究需求的增长，对于更高强度、更高分辨率的X射线激光器的追求变得尤为迫切，这种高性能的X射线不仅可以提供更清晰的影像，还能捕捉到那些以前难以观察的瞬间动态，为各种领域的研究带来新的机会和可能性。因此，为了满足前沿研究的需求，各大研究机构都在努力提高其X射线激光器的技术参数，以期在这场科研装备的竞赛中保持领先地位。

9月12日，美国LCLS-II X射线激光器经过升级后，成功产生了首束光束。该激光器在全速运行时，每秒能够发射高达100万个X射线脉冲，由此成为了全球最强的X射线激光器。这一重大突破意味着科学家们能够通过LCLS-II仪器捕捉到超快过程的高清影像，例如化学反应中电荷环绕原子的瞬间动态。此外，这种前沿研究还具有深入探索光合作用的核心原理的潜力，并推动新型电子材料的研发，为计算技术的未来开创新篇章。

图源：Matt Beardsley，美国SLAC 国家加速器实验室

经过十多年的持续努力和投入，耗资11亿美元的直线加速器相干光源（LCLS）升级项目正在SLAC国家加速器实验室稳步进行中。这次升级将仪器的重复频率（即在特定时间内发射的脉冲数量）提升了约8000倍，同时，激光的平均亮度增强了1万倍。这些显著的技术进步预期将使化学家和生物学家能够以前所未有的清晰度制作分子电影，进而深入探索那些在其他仪器中难以捕捉的罕见分子事件。

“我们翘首以盼LCLS-II的到来，这将使我们筹备了十年的梦想实验得以实现，”来自美国劳伦斯伯克利国家实验室的分子生物物理学家Junko Yano说道。LCLS的主任Mike Dunne也表示：“这一设施量子材料科学等各种研究都带来了前所未有的新机遇。”

最初的LCLS（LCLS-I）于2009年启动，是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。该仪器有一个3公里长的粒子加速器，可以让电子在铜管中快速移动。然后将电子泵入两组磁波动器中的一组，使得电子束左右摆动并发射X射线。一组产生“硬”X射线，另一组产生能量较低的“软”X射线。Mike Dunne说：“在加州斯坦福大学的管理和美国能源部的资助下，SLAC开始建设LCLS-I。然而，科学家们对这一项目是否真的能成功还抱有疑虑。这无疑是一次勇闯未知的尝试。”

但这一壮举取得了巨大成功。随后，韩国、日本、瑞士和德国等国家纷纷跟进，建立了相似的系统。位于德国汉堡附近的欧洲X射线自由电子激光器（XFEL）的科学总监Sakura Pascarelli评论道：“这标志着原子分辨率超快科学的一次革命。”据了解，这一激光器从2017年开始对外开放。

在LCLS-I的升级中，电子加速器上的部分铜管被低温冷却的铌腔所取代。当这些铌腔的温度降至约2 K时，它们将呈现超导状态，这意味着它们可以几乎无电阻的状态连续传导电子。这一改进使LCLS-II能够达到更高的X射线脉冲速度。目前，这款仪器的超冷部分仅能产生软X射线。

Mike Dunne指出：“LCLS-II原本计划于2020年启动，但由于受到COVID-19等多种因素的影响，启动日期被迫调整。这是一项创新技术，仅仅是研究如何将超导腔从其制造地伊利诺伊州安全运输到国内其他地方，就已经耗费了大量时间。”

化学家和生物学家对这次升级抱有极大的期望。Junko Yano曾利用LCLS-I以及日本的X射线自由电子激光器，深入研究了一种名为“光系统II”的蛋白质复合物，揭示了它在光合作用过程中如何分解水分子并释放氧气。该复合物中存在一个关键金属原子簇，在释放氧气前，其会经历四种不同的能量状态，因此Junko Yano团队对其进行了深入探讨，并详细追踪了其结构变化。

Junko Yano希望深入研究，不仅要明白结构的本质，还要探索金属周围电荷的分布方式，以及复合物周围电子“自旋”的变化模式。这样的研究将助力团队更深入地理解光合作用的运作机制，并可能启示研究者如何模拟太阳能燃料生产中的高效过程。她指出，这种实验需要极快的软X射线脉冲，因此LCLS-II成为了完成此实验的唯一设备。

Mike Dunne指出，LCLS-II的X射线脉冲之所以令人期待，是因为其强大的输出能力能够使科学家处理更为稀疏的化学物质和生物分子样本。这意味着研究光化学的研究生可以节省数年时间来合成大量的新分子。此外，这也使得化学家能在更接近实际的条件下，研究那些以微量存在、用于加速化学反应的催化剂。

SLAC的团队已经开始筹划下一阶段的升级，目标是使硬X射线束达到兆赫的脉冲速率。目前，欧洲的XFEL是最快的硬X射线源，每秒能够产生27000个脉冲。我国上海正在建设的X射线激光器同样展现出了竞争态势，该激光器将于2025年启动，并设定目标每秒产生高达100万个X射线脉冲。

Mike Dunne坦言：“我相信总会有人超过我们。”Sakura Pascarelli也补充道：“通常，一个设施会保持其领先地位一段时间，直到另一设施经过升级后变得更为先进。我们都在相互激励，共同进步。”

原文链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-023-02874-1