香山會議探討激光與X射線期待完美相遇

　　在人類科技史上，激光和X射線都是物理學上偉大的發明和發現。激光源自物質“受激”輻射，具有亮度高、準直性和相干性好等特點，但一般處于紅外線和可見光波段。而來自于高速電子強烈加速或撞擊的X射線，特別是硬X射線，具有很高的能量和原子尺度的波長，其穿透力和分辨率都大大增強，但準直性和相干性遠不如激光。

　　能不能將這兩種高性能的光結合起來呢?近日，香山科學會議以“硬X射線自由電子激光的現狀與對策”為題召開了第432次討論會。與會專家一致認為，硬X射線自由電子激光(HXFEL)將在更廣范圍、更深層次并以更高的效率給結構生物學、凝聚態物理、超快化學、能源材料等領域帶來革新。

　　無法比擬的優勢

　　會議執行主席、中科院院士陳佳洱介紹，隨著加速器技術的發展，自由電子激光在高平均功率及短波長方面取得了巨大進展。

　　而在所有波段的X射線自由電子激光(XFEL)中，能量最高的硬X射線自由電子激光受到格外關注。2009年4月，世界上第一個HXFEL裝置在美國SLAC國家加速器實驗室誕生，最短工作波長達到0.15納米，標志著X光光源已經開始更新換代。

　　中科院上海應用物理研究所所長趙振堂向《中國科學報》記者介紹：“和上一代光源相比，HXFEL具有卓越的先進性能，可謂更高、更快、更強了。”

　　首先，HXFEL具有超高的峰值亮度，比上一代光源高出10億倍左右。其次，脈沖寬度是上一代光源的萬分之一，這意味著激光脈沖速度快、功率高，能達到更高的時間精度。再次，HXFEL中光子相位一致，如同一支訓練有素的部隊，具有極強的“戰斗力”，這被物理學家稱為“全相干”。激光專家、英國倫敦帝國理工學院教授約翰·蒂施曾評價：“HXFEL具有其他任何光源都無法比擬的優勢。”

　　期待“新科學”產生

　　縱觀多年諾貝爾獎會發現，歷史上已有20次諾貝爾獎頒給了和X射線研究相關的科學家，10次頒給了與激光有關的研究。當激光遇上X射線，各領域科學家們都期待革命性的“新科學”產生。

　　中科院高能物理所研究員董宇輝表示：“HXFEL是蛋白質結構解析研究人員夢寐以求的技術。”目前，解析蛋白質結構的困難之一便是生長大尺寸、高質量的單晶。HXFEL對納米尺度的晶體開展測量會給膜蛋白、蛋白質復合物結構提供極大便利。

　　中科院院士范福海是X射線衍射分析的“忠實用戶”。他向《中國科學報》記者表示：“有了HXFEL，測定膜蛋白的晶體結構就可能不用再培育所謂的‘優質大單晶’了。”

　　同時，動態X射線結構分析也受到化學家的關注。“HXFEL能以極小的原子尺度、在時間極短的飛秒時段給物質結構‘拍’一張三維‘快照’。”范福海解釋。基于此，化學家有望對化學反應過程進行實時動態觀測。

　　當然，HXFEL的用戶們也為新工具的制造提出了條件。董宇輝指出，在解析單分子結構上，主要的問題在于目前HXFEL的脈沖強度還不夠高，離原子分辨率還有一定距離。

　　盡快搶占科技制高點

　　不過，現階段，我國還沒有建設波長更短的HXFEL的計劃，只在能量稍弱的紫外和軟X射線波段取得進展。

　　在我國科學大裝置“上海光源”項目中，上海應用物理研究所技術團隊完成“高增益諧波產生自由電子激光放大飽和”實驗，使我國成為繼美國后世界第二個掌握這項技術的國家。最近，“上海X射線自由激光”項目獲批，擬建總長為300米的XFEL裝置，最短工作波長為9納米。中科院上海應物所研究員王東對《中國科學報》記者說：“這些工作為建設HXFEL打下了堅實的基礎，我國建HXFEL已沒有任何技術障礙。”

　　考慮到在現有客觀條件下，HXFEL的立項還將經歷較長過程，國際合作成為盡快發展HXFEL的良好模式。最近，中科院與瑞士保羅謝勒研究所共同提議在“瑞士自由電子激光(SwissFEL)”裝置上建設一條“中國硬X射線自由電子激光光束站”，預計中方投入經費約1.5億元人民幣。據悉，該方案我國只需用十二分之一的投資便能獲得六分之一的使用機時。會議執行主席、中科院物理所研究員、北京凝聚態國家實驗室首席科學家丁洪評價說：“更重要的是，這足以使我國幾乎與世界同步擁有自己的硬X射線自由電子激光實驗平臺。”

　　與會專家呼吁，目前，我國應盡快發展HXFEL，以搶占這一領域的科技制高點。