直線(xiàn)加速器相干光源發(fā)表自啟動(dòng)以來(lái)首項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成果

SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室　　

題圖為電子被剝離的示意圖(斯坦福直線(xiàn)加速器中心供圖)

　　電子的原子想必相當(dāng)?shù)墓录拧?jù)北京時(shí)間7月2日出版的英國(guó)《自然》雜志所刊發(fā)報(bào)告稱(chēng)，位于美國(guó)斯坦福直線(xiàn)加速器中心(SLAC)國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室內(nèi)、迄今世界最強(qiáng)大的X射線(xiàn)激光器??直線(xiàn)加速器相干光源(LCLS)于6月30日發(fā)表了它自啟動(dòng)以來(lái)的第一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成果：其強(qiáng)大而獨(dú)特的能力，達(dá)到了可操縱原子樣本上單個(gè)電子的水平，從內(nèi)到外逐個(gè)將電子剝離，形成了所謂的“空心原子”。

　　由于體現(xiàn)出了X射線(xiàn)令人驚訝的強(qiáng)度與操控度，該結(jié)果讓科學(xué)界人士大為贊賞;甚至包括研究人員自己在內(nèi)，直到實(shí)驗(yàn)成功才真正相信，X射線(xiàn)已可達(dá)到如此精準(zhǔn)之地步。

　　首個(gè)硬X射線(xiàn)激光器

　　SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室隸屬美國(guó)能源部，40余年來(lái)執(zhí)著于對(duì)自然界基本規(guī)律的探索，以物理實(shí)驗(yàn)手段揭示了許多自然界的秘密。

　　2009年4月，直線(xiàn)加速器相干光源(LCLS)在這里成功誕生。這個(gè)巨型激光器長(zhǎng)130米，由實(shí)驗(yàn)室3公里長(zhǎng)的直線(xiàn)粒子加速器提供動(dòng)力，每次啟動(dòng)發(fā)光裝置研究人員需花2小時(shí)。該設(shè)備制成耗時(shí)3年，而從計(jì)劃提出到完成開(kāi)工準(zhǔn)備歷時(shí)幾乎10年。

　　誕生伊始，研究員第一次使用大功率X射線(xiàn)激光器發(fā)出直線(xiàn)連續(xù)光，此X射線(xiàn)已經(jīng)比其他任何人造光源發(fā)出的脈沖亮度都要高，測(cè)試光的波長(zhǎng)為0.15納米(nm)，是當(dāng)時(shí)人類(lèi)創(chuàng)造的最短波長(zhǎng)同時(shí)具有最大能量的光。

　　此后一年時(shí)間來(lái)LCLS并未發(fā)表科研成果，但卻一直被視為激光領(lǐng)域“質(zhì)的飛躍”或“里程碑式的杰作”。因?yàn)槠渫耆煌谒幸郧暗募す馄鳎哼@是國(guó)際上最早提出的第四代光源之一，亦是世界上第一個(gè)發(fā)射硬X射線(xiàn)的自由電子激光器。所謂硬X射線(xiàn)，通常定義為能量較高、波長(zhǎng)極短的X射線(xiàn)。

　　從原理上來(lái)看，LCLS首度結(jié)合了原子尺度空間和時(shí)間分辨率，以相干量子波的形式輸出X射線(xiàn)，是研究人員從以往傳統(tǒng)激光器發(fā)展出來(lái)的新型光源;從效果上來(lái)講，LCLS亮度能比以往光源高10億倍，產(chǎn)生脈沖短暫到百萬(wàn)分之二納秒，為滿(mǎn)足各種應(yīng)用需求，LCLS的輸出可以在原子、分子和光學(xué)領(lǐng)域的不同設(shè)備之間進(jìn)行切換?？茖W(xué)家們預(yù)想，經(jīng)過(guò)微調(diào)之后的LCLS的脈沖可幫助排列出眾多材料的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)。

　　超強(qiáng)X射線(xiàn)照出“空心原子”

　　原子殼層結(jié)構(gòu)是關(guān)于原子內(nèi)電子排布的一種簡(jiǎn)化模型，通常原子內(nèi)帶正電的密實(shí)部分集中于一個(gè)很小的核，帶負(fù)電的電子分布于核外。而內(nèi)殼層空原子(亦可直稱(chēng)空原子)，指電子完全被剝離的原子。

　　數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家們一直想利用X射線(xiàn)來(lái)探測(cè)材料的原子尺度的結(jié)構(gòu)，亦或?qū)⒛撤N原子剔除內(nèi)層電子看看“人走城空”的原子如何反應(yīng)。LCLS無(wú)疑提供了這個(gè)機(jī)會(huì)。

　　現(xiàn)在的LCLS輸出波長(zhǎng)在0.15納米至1.5納米之間可調(diào)諧，輸出脈沖寬度可達(dá)80飛秒(fs)，每個(gè)脈沖包含10萬(wàn)億個(gè)X射線(xiàn)光子，作為在LCLS上完成的第一批實(shí)驗(yàn)結(jié)果，“空心原子”產(chǎn)生了。

　　研究人員選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是自由氖原子。在一個(gè)X射線(xiàn)脈沖期間，這些原子依次彈射出它們?nèi)康?0個(gè)電子，產(chǎn)生電子完全被剝離的氖原子，即對(duì)X射線(xiàn)來(lái)說(shuō)是透明的、“空城”狀態(tài)的原子。

　　LCLS的脈沖短暫到足以拍攝到化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的一系列“定格”快照，亦可以對(duì)電子從原子中脫離的過(guò)程進(jìn)行成像，用于觀(guān)察化學(xué)反應(yīng)和沖擊波，以確立物質(zhì)最基本的互動(dòng)機(jī)制。

　　以往從未有過(guò)如此強(qiáng)烈的X射線(xiàn)，亦無(wú)法判斷它與其他物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生怎樣的互動(dòng)。美國(guó)能源部科學(xué)辦公室主任威廉?布林克曼表示，直到近期還很少有人相信自由電子激光器能達(dá)到如此精確的地步，這讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯得更不同尋常。

　　LCLS項(xiàng)目主任約阿希姆?斯托爾的回溯讓人印象深刻，他說(shuō)：“10年前，我們第一次構(gòu)想LCLS實(shí)驗(yàn)時(shí)，曾想過(guò)這個(gè)激光器或許能強(qiáng)大到足以創(chuàng)造出空心原子，但這在當(dāng)時(shí)只是一個(gè)夢(mèng)?，F(xiàn)夢(mèng)已成真?！?/P>

　　盡管“光桿司令”狀的原子頗為可憐，但以此次成果為基礎(chǔ)，科學(xué)家將開(kāi)展一種全新方法來(lái)探索原子結(jié)構(gòu)和原子動(dòng)力學(xué)，下一步的實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括原子團(tuán)簇、納米晶體蛋白甚至某些病毒，預(yù)計(jì)未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)就可公布結(jié)果。