由于原子、電子運(yùn)動(dòng)得實(shí)在太快了，人類至今從未看清過(guò)它們是怎樣運(yùn)動(dòng)的。XFEL可以捕捉微觀世界的瞬時(shí)圖像，并可慢速回放，讓科學(xué)家弄清其中的奧秘，因而成為各國(guó)爭(zhēng)相研制的一大科研利器。
 

我國(guó)迄今為止投資最大的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目———硬X射線自由電子激光裝置（XFEL）最近獲批啟動(dòng)。選址上海張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心核心區(qū)域，這個(gè)總長(zhǎng)3．1公里的裝置，將建設(shè)埋深約30米的地下隧道，沿浦東新區(qū)羅山路，一直延伸到上?？萍即髮W(xué)園區(qū)。
 

早在2009年，美國(guó)就建成了世界上第一條XFEL。近年來(lái)，日本、瑞士、韓國(guó)都在加緊研制這一科研利器。去年9月，歐洲12國(guó)共同投資12億歐元、建在德國(guó)漢堡附近的歐洲XFEL開(kāi)始進(jìn)行首批實(shí)驗(yàn)。
 

硬X射線自由電子激光裝置所提供的X射線，峰值亮度比第三代同步輻射光源可以高出上萬(wàn)倍，能幫助科學(xué)家看清原子，乃至電子尺度上的微觀世界，可將對(duì)微觀世界的研究從拍“分子照片”提升到拍“分子電影”的水平，因而成為全世界科學(xué)家追逐的熱門(mén)。英國(guó)《自然》雜志將這種裝置稱為科學(xué)家的“高速攝像機(jī)”。
 

比普通X光亮上億倍具備超快時(shí)間分辨力
 

高速運(yùn)動(dòng)的電子在受磁場(chǎng)影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)沿切線方向釋放同步輻射光，這種光比普通X光強(qiáng)上萬(wàn)倍。而X射線自由電子激光則比同步輻射光更強(qiáng)，這種光是高能電子在受磁場(chǎng)作用，發(fā)生扭擺的時(shí)候，在前進(jìn)方向上放出的激光。
 

X射線自由電子激光根據(jù)能量和波長(zhǎng)的不同，分為軟、硬X射線兩種，后者亮度更高，比同步輻射光還要高出上萬(wàn)倍，其波長(zhǎng)可達(dá)到幾個(gè)納米（10米）。
 

與同步輻射光相比，X射線自由電子激光具有更高的亮度、更短的脈沖結(jié)構(gòu)和更好的相干性。同步輻射光所能看到的是分子層面的結(jié)構(gòu)，而硬X射線自由電子激光則能看清原子級(jí)別的結(jié)構(gòu)。這有什么不同？如果說(shuō)，同步輻射光可以看清一幢大樓的表面，那么硬X射線自由電子激光則可以看清每個(gè)窗戶里發(fā)生的事情。
 

顯然，XFEL可以幫助科學(xué)家看清以前從未看到過(guò)的微觀世界，一些科學(xué)猜測(cè)也許就此解開(kāi)謎團(tuán)。盡管現(xiàn)有的XFEL性能還有不少提升空間，但科學(xué)家已經(jīng)利用這種超強(qiáng)光源，得到了一些新發(fā)現(xiàn)。例如，中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所徐華強(qiáng)研究員領(lǐng)銜的國(guó)際交叉團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)聯(lián)合攻關(guān)，利用美國(guó)斯坦福直線加速器中心（SLAC）國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的XFEL，成功解析了磷酸化視紫紅質(zhì)與阻遏蛋白復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，攻克了細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)領(lǐng)域的重大科學(xué)難題。隨著數(shù)據(jù)分析方法的提升和改進(jìn)，他用同一套數(shù)據(jù)，先后有了兩次重大發(fā)現(xiàn)，論文均發(fā)表在美國(guó)《細(xì)胞》雜志上。這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明，XFEL將為科學(xué)發(fā)現(xiàn)帶來(lái)極具價(jià)值的研究數(shù)據(jù)。
 

近十年來(lái)，全球科學(xué)家都在追求這種激光，不斷提升其性能，希望借此推動(dòng)人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)更加深入。就在去年9月，歐洲12國(guó)共同投資的XFEL在德國(guó)漢堡附近開(kāi)始進(jìn)行首批實(shí)驗(yàn)，其能量高達(dá)17．5GeV（109電子伏特），每秒可發(fā)射2．7萬(wàn)個(gè)脈沖。美國(guó)2009年建成的XFEL能量達(dá)到14．5GeV，現(xiàn)在又開(kāi)始建設(shè)其升級(jí)版，雖然能量指標(biāo)為4GeV，但其每秒可發(fā)射100萬(wàn)個(gè)脈沖，是目前裝置的1萬(wàn)倍。我國(guó)新啟動(dòng)的XFEL能量為8GeV，可以產(chǎn)生品質(zhì)非常高的光子，它還將同時(shí)具備納米級(jí)的超高空間分辨能力，以及飛秒（10秒）級(jí)的超快時(shí)間分辨能力。