來自《自然》雜誌
這個加壓圓柱形腔體可以放在瑪格麗特·穆爾納恩的手掌中。然而，從裝置的一端發出的X射線束，其能量幾乎與大型粒子加速器產生的光一樣強大。
瑪格麗特·穆爾納恩和亨利·卡普坦均為科羅拉多州博爾德市JILA（科羅拉多大學和美國國家標準與技術研究院的聯合研究所）的物理學家，他們報告了首個桌面超短雷射脈衝低能量或“軟”X射線源。這種能夠探測分子結構和動態的光，以前只能在大型、價值數十億美元的國家級設施（如同步加速器或自由電子雷射器）中獲得，而這些裝置的使用競爭非常激烈。但是，穆爾納恩、卡普坦及其同事在6月8日出版的《科學》雜誌上發表的報告（T. Popmintchev等，《科學》336, 1287–1291; 2012）表明，這些裝置可能很快就會在大學實驗室的預算範圍內。“對我們來說，在桌面系統中能夠做到這一點真是不可思議，”穆爾納恩說。“三年前，人們會說‘只有大型設施才能做到這一點’。”
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穆爾納恩和卡普坦是一對夫妻團隊，他們還領導著位於博爾德市的KMLabs公司，該公司已經銷售類似的桌面極端紫外光源。穆爾納恩認為，未來的軟X射線源成本應該在100萬美元左右，並希望其相對較低的成本和較小的尺寸將為材料科學家、生物學家和其他人開啟X射線研究的大門。例如，該裝置產生的射線束可以幫助材料科學家透過跟蹤電子在太陽能電池中的路徑來製造更好的太陽能材料，並可能使化學家能夠追蹤光合作用和催化的超快動力學。“這是人們長期以來一直期待的東西，”加州大學聖地亞哥分校的物理學家奧列格·什皮爾科說。什皮爾科經常要等待幾個月才能在伊利諾伊州阿貢國家實驗室的同步加速器——先進光子源獲得實驗許可，然後必須讓他的學生飛越半個國家才能完成這項工作。
桌面光源依賴於一種稱為高次諧波產生的技術，其中雷射束透過一種介質，將其轉換為波長更短、頻率更高的光。例如，將紅寶石雷射器照射到石英晶體中，就會發出紫外光束——雖然較暗，但仍然像雷射束一樣聚焦。
穆爾納恩和卡普坦已將高次諧波產生技術推向極限，他們使用的系統以紅外雷射器為光源，以加壓氦氣為介質。雷射器產生強電場，將電子從氦原子中拉出，使電子能夠從電場中吸收能量。當它們猛烈撞擊回氦原子時，它們會將吸收的能量以波長較短的光子形式釋放出來——但每輸入5000個紅外光子，大約只會輸出一個光子。
結果是產生的光的波長几乎與同步加速器產生的光一樣短。透過增加氣體壓力——理論家認為這可能會使光束散焦——穆爾納恩和卡普坦可以產生波長為0.8奈米的光。在這些波長附近，用於磁體和超導體中的許多化學元素會吸收特定波段的光。卡普坦說，化學家可以利用這一點來辨別構成磁性計算機硬碟中資訊位的鎳原子的自旋態，例如。
在雷射脈衝速度方面，桌面系統已經超越了大型光源設施。穆爾納恩和卡普坦的裝置產生非常快的脈衝，短至2.5阿秒（10−18 秒）——比同步加速器的皮秒（10–12）脈衝和自由電子雷射器的飛秒（10–15）脈衝還要快。這個時間尺度甚至比化學鍵的形成和斷裂還要快。“在這個時間尺度上，我們可以開始使用這些光源來解決我們不知道答案的問題，”德國加興馬克斯·普朗克量子光學研究所的物理學家、超快光源公司Femtolasers的聯合創始人費倫茨·克勞斯說。
然而，這些光源產生的光強度遠低於大型國家級設施。這是物理學家艾瑪·斯普林蓋特想要同時使用這兩種技術的原因之一。斯普林蓋特負責管理英國科學技術設施委員會盧瑟福·阿普爾頓實驗室中央雷射設施的阿耳忒彌斯部門，該部門已經擁有一臺KMLabs的超快極端紫外光源，並可以訪問同步加速器光源。“同步加速器為您提供靜態、真正清晰的高解析度影像，而超快光源為您提供略微模糊的電影，”斯普林蓋特說。
穆爾納恩說，桌面X射線源可能還需要幾年時間才能問世，但她希望有一天它們能在實驗室中像電子顯微鏡一樣普及。什皮爾科就很期待那一天的到來。他解釋說，等待國家級設施接受實驗申請，感覺就像等待航天飛機發射。“如果你在自己的實驗室裡擁有其中一臺，你可以設想一個實驗，明天就嘗試一下，”他說。