世界最强X射线激光器即将揭开量子秘密

得益于最近的尖端 X 射线升级，世界上最强大的激光器之一很快就能开始深入研究原子世界。斯坦福大学 SLAC 国家加速器实验室宣布对直线加速器相干光源 II (LCLS-II) 的 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 组件进行了改进，使其能够“无与伦比地”检查量子材料——这是 13 年来取得的里程碑。

LCLS-II 项目主管 Greg Hays 在 9 月 18 日的声明中表示：“这一成就标志着十多年工作的巅峰。它表明 LCLS-II 的所有不同元素都在协同工作，以全新的操作模式产生 X 射线激光。”

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尽管 LCLS-II 被归类为“激光”，但它更像是一台大型显微镜，而不是一台产生明亮光点的设备。通电后，XFEL 会以极快的速度产生极亮的 X 射线光脉冲，它们可以捕捉到电子、原子和分子在自然时间尺度上的行为细节。SLAC 建造了世界上第一台物理 XFEL，它于 2009 年开始运行，通过粒子加速器以每秒 120 个脉冲的速度通过室温铜管发射电子。

然而，LCLS-II 的 XFEL 每秒可发出多达一百万个 X 射线脉冲，比其前身的频率高出约 8,000 倍，亮度也高出 10,000 倍。LCLS-II 创纪录的能力取决于最先进的超导加速器，该加速器使用 37 个低温模块将其环境冷却至惊人的 -456 华氏度；这甚至比外太空的真空还要冷，仅比绝对零度低几度。

科学家还打算利用 LCLS-II 升级来研究量子材料的相互作用，根据 SLAC 的公告，这对于准确检查其“不寻常且通常违反直觉的属性”至关重要。更好地了解这些属性可以带来超快数据处理、更节能的设备、量子计算机以及许多其他技术突破。“从复杂的蛋白质舞蹈到光合作用机制，LCLS-II 将以前所未有的细节揭示生物系统，”SLAC 的简介中写道。

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几十年来， PopSci一直在关注 LCLS-II 底层超导技术的进展。“在接近绝对零度（−459°F）的温度范围内，存在着一个奇怪的‘电永动机’世界——或者说超导世界——电流一旦开始运动，就会永远流动，” PopSci在 1967 年首次描述道。“随着材料和冷却方法的新发展，真正奇妙的设备正在全国各地的实验室中成型。”