如何制造比太空还冷的X射线激光

物理学界正团结一致，支持欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，该对撞机在经过长时间的升级和一年的停顿后重新投入使用。但这并不是唯一一台真正获得新能量的科学机器。在地球另一边，距离近 6,000 英里的地方，另一台对撞机正在进行最后的修整。

位于旧金山南部的 SLAC 国家加速器实验室拥有一台名为 LCLS 的大型激光器，科学家可以利用它来使用 X 射线观察分子。该设施的负责人 Mike Dunne 说：“可以把 LCLS 这样的设施想象成一台超分辨率显微镜。”

现在，LCLS 刚刚完成一项重大升级——称为 LCLS-II——将激光温度降至仅比绝对零度高几度。

赋予粒子加速器新生命

半个世纪前，SLAC 的隧道内设有粒子加速器。虽然如今大多数粒子加速器都会让粒子以圆形旋转，但这个加速器却是笔直的。为了使电子达到粉碎所需的速度，它必须超过 2 英里长。在它开放后的几十年里，它一直是“世界上最长的建筑”。（这条隧道非常独特，是一条数英里长的直线，刻在山麓上，飞行员用它来寻路。）

1966 年投入使用时，这台所谓的斯坦福线性加速器堪称工程奇迹。在随后的几十年里，在那里进行的粒子物理研究获得了至少三项诺贝尔物理学奖。但到了 21 世纪，它已成为一种遗物，被 CERN 和其他地方的其他加速器所超越，这些加速器可以粉碎能量高得多的粒子，并能看到斯坦福看不到的东西。

但是那座 2 英里长的建筑仍然存在，2009 年，SLAC 为其配备了一台新机器：直线加速器相干光源 (LCLS)。

LCLS 是一种称为 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 的仪器。虽然它是一种激光器，但它与那些用来刺激小猫的小型手持激光笔没有太多共同之处。那些激光笔使用二极管等电子元件产生激光束。

另一方面，XFEL 与粒子加速器有更多共同之处。事实上，这是激光的第一阶段，将电子束加速到非常接近光速。然后，这些电子穿过磁铁的束缚，迫使它们以快速的之字形运动。在此过程中，电子将其巨大的能量以 X 射线的形式向前发射。

这样做可以产生各种电磁波，从微波到紫外线再到可见光。但科学家更喜欢使用 X 射线。这是因为 X 射线的波长与原子大小相当，当聚焦成强光束时，科学家可以窥视分子内部。

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LCLS 与世界上大多数其他 X 射线源不同。加州光束的工作原理就像频闪灯。“每次闪光都会捕捉到特定状态下分子的运动，”邓恩说。

LCLS 最初每秒可以拍摄 100 次闪光。这样科学家就可以实时拍摄化学反应的视频。他们可以观察原子间键的形成和断裂，以及新分子的形成。它可能很快就能以快数千倍的帧速率拍摄电影。

冷却激光

在其第一次迭代中，LCLS 使用铜结构来加速电子。但增加整台机器的功率正在突破铜的极限。“铜吸收的电流太大，所以会熔化，就像你在保险丝盒里熔断电线一样，”邓恩说。

有一种方法可以解决这个问题：称为超导的奇异量子效应。

当材料的温度低于某一临界温度时，其电阻几乎降为零。然后，电流就可以无限流动，而不会以热量的形式向周围环境损失能量。

LCLS 并非第一个使用此类技术的激光器。问题是，达到该温度（通常仅比绝对零度高几度）绝非易事。

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康奈尔大学物理学家、曾研究过该技术的乔治·霍夫施泰特 (Georg Hoffstaetter) 表示：“这些冷却到极低温度的低温系统确实很难维持。”有些超导材料可以在稍微不那么严酷的温度下工作，但它们都无法在数百英尺长的空间中工作。

规模较小的设施可能难以应对这一挑战，但 SLAC 在结构的一端建造了一个仓库大小的冰箱。它使用液氦将加速器冷却至 -456°F。

超导性还具有使设备更节能的优点；大型物理设施因耗电量与小国相当而臭名昭著。“超导技术本身在某种程度上是一种绿色技术，因为加速器的能量中只有很少一部分转化为热量，”霍夫施塔特说。

升级完成后，新改进的 LCLS-II 每秒将不仅能发出 100 个脉冲，而是能发出多达一百万个脉冲。

每秒一百万帧能做什么

邓恩表示，X 射线束大致可以在三个主要领域推动科学发展。首先，X 射线束可以帮助化学家找到使用更少材料加快反应速度的方法，从而实现更加环保的工业流程或更高效的太阳能电池板。

另一方面，该工具可以帮助生物学家进行药物研发等工作——观察药物如何影响人体内的酶，而这些酶很难通过其他方法研究。

第三，这种射线束可以帮助材料科学家更好地了解材料在极端条件下（如 X 射线冲击）的行为。科学家还可以用它来设计新物质，例如更好的超导体，以建造像这样的未来物理机器。

当然，这其中也有一个问题。就像任何对这类机器的重大升级一样，物理学家需要学习如何使用他们的新工具。“你必须学会​​如何从头开始做科学研究，”邓恩说。“这不仅仅是你以前做过的事情……这是一个全新的领域。”

科学家需要解决的一个问题是如何处理激光产生的数据：每秒 1TB。这已经是大型设施面临的一个障碍，如果网络和超级计算机跟不上，这个问题可能会变得更加严重。

尽管如此，这并没有削弱物理学家对增强技术的热情。科学家们已经在计划对激光器进行另一次升级，预计将于 2020 年代末完成，这将提高激光器的能量，使其能够更深入地探索原子世界。