升级为世界上最强大的 X 射线激光器于 9 月 12 日产生了第一束光束。该激光器位于加利福尼亚州门洛帕克，满负荷运行时每秒将产生一百万个 X 射线脉冲。科学家们很高兴能够破解这款名为 LCLS-II 的仪器，这将使制作超快过程的高速电影成为可能，其中包括化学反应期间原子周围跳跃的电荷。此类研究可以解开光合作用的秘密，并有助于开发用于计算系统的新型电子材料。
耗资 11 亿美元对位于 SLAC 国家加速器实验室的直线加速器相干光源 (LCLS) 进行升级的工作已经进行了十多年。它使仪器的重复率（在设定时间内发射的脉冲数）大约提高了 8,000 倍，并且激光的亮度平均提高了 10,000 倍。这些变化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，并提供其他仪器无法看到的罕见分子事件的内部情况。
“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，”加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室的分子生物物理学家 Junko Yano 说。
LCLS 主任 Mike Dunne 表示，该设施为包括量子材料科学在内的各种类型的研究“开辟了全新的可能性”。
超快科学
最初的 LCLS（现在称为 LCLS-I）于 2009 年启动，成为世界上第一台将高能“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，可以通过铜管传送电子。然后，电子被泵入两组磁波荡器中的一组，导致电子束左右摆动并发射 X 射线。一组产生“硬”X 射线，另一组产生较低能量的“软”X 射线。邓恩说，当 SLAC（由加利福尼亚州斯坦福大学运营并由美国能源部资助）建造 LCLS-I 时，科学家们并不完全确定它是否有效。“这是一次向未知的飞跃。”
但这是成功的。其他国家也纷纷效仿：韩国、日本、瑞士和德国也建立了类似的系统。德国汉堡附近的欧洲 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 于 2017 年向用户开放，其科学总监 Sakura Pascarelli 表示，这是一场“以原子分辨率进行超快科学”的革命。
LCLS-I 的升级版用低温冷却的铌腔替换了电子加速器上的部分铜管。当温度达到 2 开尔文左右时，它们会呈现超导性，因此它们可以以几乎为零的电阻连续传导电子。这有助于 LCLS-II 实现更快的 X 射线脉冲速率。目前，仪器的过冷部分仅产生软 X 射线。
邓恩说，LCLS-II 原定于 2020 年启动，但包括 COVID-19 大流行在内的各种因素修改了该时间表。“这是全新的技术，”他补充道。甚至研究如何将超导腔从它们的建造地伊利诺伊州运输到全国各地也需要时间。
超越竞争
化学家和生物学家满怀期待地观察着这些升级。矢野使用 LCLS-I 以及日本的 X 射线自由电子激光器，在原子水平上揭示了一种称为光系统 II 的蛋白质复合物如何在光合作用过程中分裂水并产生氧气。她和她的合作者瞄准了复合体中的一个关键金属原子簇，并跟踪了它在释放氧气之前经历四种能态的结构。他们今年在《自然》杂志上描述了他们的研究结果1。
但矢野想走得更远。“了解结构是一回事，”她说。“我们还想知道金属周围的电荷是如何分布的”，以及围绕复杂结构跳跃的电子的“自旋”如何变化。这将帮助研究小组了解光合作用是如何发生的，并可以帮助研究人员模拟太阳能燃料生产系统中令人难以置信的过程效率。矢野说，该实验需要极快的软 X 射线脉冲，因此 LCLS-II 是唯一可以完成该实验的设施。她的团队已提交一份提案，要求花时间使用该仪器。
Dunne 表示，LCLS-II 的 X 射线脉冲也令人兴奋，因为它们的强大力量将使科学家能够处理更稀释的化学物质和生物分子样本。这应该可以让研究光化学的研究生节省几年的时间来合成足够的新分子来研究它。它将使化学家能够在更现实的条件下研究有前途的催化剂——这些催化剂通常以微量使用，以加速反应。
SLAC 团队已经在计划下一系列升级，将硬 X 射线束提高到兆赫兹脉冲频率。目前，欧洲 XFEL 是最快的硬 X 射线源，每秒产生 27,000 个脉冲。中国上海正在建造的另一台 X 射线激光器可能会在启动时（不早于 2025 年）带来竞争：它的目标也是每秒产生 100 万个 X 射线脉冲。
“我确信我们会被超越，”邓恩说。帕斯卡雷利说，一般来说，一个设施会保持记录一段时间，直到另一个设施升级并变得更强大。“我们互相推动。”
目前，SLAC 团队正在庆祝多年的工作，并评估世界各地科学家要求使用 LCLS-II 推进研究的提案。
