原子、分子或細菌一旦被放置在世界上最強大的 X 射線雷射的焦點上，就毫無機會。高達萬億的高能光子，以統一的方式運動，掃過物質，在不到萬億分之一秒的時間內將其加熱到超過一百萬攝氏度——像太陽日冕一樣熱。當如此極端的輻射脈衝擊中氖原子時，所有 10 個電子都會從每個原子上沸騰脫落，裸露的原子核會從同樣電離的鄰居處爆炸開來。這種毀滅會留下一條破壞的痕跡，可以闡明自然界的一些奧秘。
例如，在爆炸氖的情況下，X 射線雷射令人驚訝地從內到外剝離原子的電子。電子像洋蔥一樣分層軌道圍繞每個原子核執行，但外層對於 X 射線幾乎是透明的。因此，光束會繼續前進，直到擊中最內層的兩個電子。它們承受了輻射的大部分衝擊，就像微波爐中的咖啡在杯子變熱之前很久就變熱一樣。從中心彈出後，這兩個電子留下了一個空心的原子。但在飛秒（千萬億分之一秒）之內，其他電子向內移動以填補空隙。空心化和填充的迴圈重複進行——全部都在單個極短的 X 射線脈衝內——直到沒有電子留下。
結果是一種奇異的電離等離子體，處於稱為溫稠密物質的狀態——通常只在核聚變反應和巨行星核心等極端環境中發現。僅僅幾飛秒，X 射線雷射束焦點處的破壞性環境在地球上是無與倫比的。
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X 射線雷射本身與它揭示的奇異現象一樣引人注目。被稱為 SLAC 國家加速器實驗室的 Linac 相干光源 (LCLS)，它讓人想起 20 世紀 80 年代的“星球大戰”導彈防禦系統。該計劃的倡導者提議使用 X 射線雷射擊落彈道導彈和衛星。
這種真實的 X 射線雷射實際上更多地歸功於那個時代建造的國家頂級原子粉碎機——特別是斯坦福大學為美國能源部運營的 SLAC 線性加速器。該加速器產生了許多使美國在基本粒子物理學領域保持領先地位數十年的發現和諾貝爾獎。然後它被重建為 LCLS X 射線雷射器，於 2009 年 10 月上線。
從那時起，LCLS 對於原子和等離子體物理學、化學、凝聚態物理學和生物學來說，就像日內瓦附近 CERN 的大型強子對撞機對於基本粒子物理學一樣。該裝置為物理學家提供了一個強大的錘子來粉碎自然界的構建基塊，從碎片中創造出新的物質形態，例如空心原子。我們也像使用強大的高速顯微鏡一樣使用它來放大量子領域。LCLS 的 X 射線脈衝不僅非常明亮，而且非常短——只有幾飛秒長。我們使用它們使原子在運動中凍結，觀察正在進行的化學反應，並以精細的細節對活微生物和病毒進行成像。
原子的陰影
X 射線雷射融合了當今實驗物理學家使用的兩種主要工具：同步加速器光源和超快雷射器。同步加速器是跑道式粒子加速器。在其中環繞的電子會拋射出 X 射線，X 射線進入排列在機器圓周周圍的儀器，就像風車輪輻一樣。
我們中的一位（Berrah）一生都在使用同步加速器 X 射線研究原子、分子和奈米系統的深層內部。X 射線光非常適合此目的。它的波長是原子大小，因此原子會在 X 射線束中投下陰影。此外，可以調整 X 射線以挑選出特定型別的原子——例如，僅鐵原子——並顯示它們在固體或大型分子（如血紅蛋白）中的位置。
然而，同步加速器產生的 X 射線在一個關鍵方面受到限制：它們無法追蹤大多數分子或固體內部的原子運動。脈衝不夠短或不夠亮，因此除非目標是晶體，否則它們只能產生昏暗、模糊的影像，在晶體中，區域性力將數百萬個分子精確地排列成行，就像完全相同計程車兵在立正一樣。
雷射器本身亮度要高得多，因為它們發射的光是相干的。雷射中的電磁場不像波濤洶湧的大海表面那樣起伏不定；它是一系列規則的平滑振盪。
雷射器可以利用這種規律性將大量的能量聚焦到空間和時間的一個微小點上；它們可以在短至飛秒的時間內開啟和關閉。我們中的一位（Bucksbaum）使用超快光學雷射脈衝作為頻閃燈來研究原子的運動和化學反應的步驟。
但傳統雷射器在可見光波長或附近波長下工作——波長至少比解析原子所需的波長長 1000 倍。正如天氣雷達可以看到暴雨但無法分辨雨滴一樣，光學雷射器可以看到原子集合是如何運動的，但它們無法區分單個原子。為了投射清晰的陰影，光的波長必須不大於被觀察的物體。因此，我們需要 X 射線雷射器來對原子成像。然而，實際構建這樣的裝置並非易事。
死亡射線
曾經，建造 X 射線雷射器的想法似乎很古怪。標準雷射器已經很難構造了。它們之所以工作，是因為原子就像微型電池：它們可以吸收、儲存和釋放少量能量，以光子的形式。通常，原子會自發地發射光子，但在 20 世紀早期，阿爾伯特·愛因斯坦發現了一種觸發釋放的方法，這種過程稱為受激發射。如果您使原子吸收一定量的能量，然後用具有相同能量的光子擊中它，原子可以釋放最初吸收的能量——從而產生光子的克隆。兩個光子（原始光子及其克隆）繼續前進，觸發一對其他原子釋放能量，依此類推，在指數鏈式反應中建立克隆軍隊。雷射束就是結果。
即使在條件合適的情況下，原子也不總是像您預期的那樣克隆光子。當高能原子受到另一個光子的撞擊時，它發射光子的機率與原子只是自發釋放能量的可能性相比很小。傳統雷射器透過兩種方式克服了這一限制。它們泵入能量來激發原子。並且它們使用鏡子來來回傳送克隆的光，沿途招募新的“士兵”。
例如，在超市價格掃描器中使用的典型氦氖雷射器中，連續的電子流與氣體中的原子碰撞，使其能量增加。光在鏡子之間來回反射 200 次後才射出雷射器。
對於 X 射線雷射器，此過程的每一步都變得更加困難。一個 X 射線光子可能包含的光子能量是光學光子的 1000 倍，因此每個原子必須吸收 1000 倍的能量。原子不會長時間保持這種能量。此外，X 射線反射鏡很難獲得。儘管這些障礙並非不可逾越，但需要巨大的能量輸入才能創造出雷射條件。
事實上，第一臺 X 射線雷射器的能量來自 20 世紀 80 年代的地下核彈試驗。它是為舊金山東部勞倫斯利弗莫爾國家實驗室執行的代號為“Excalibur”的秘密專案而建造的。該專案仍然是機密的，儘管有關它的一些資訊已經公開。該裝置是前總統羅納德·里根的戰略防禦倡議（又名“星球大戰”）的一部分，旨在充當死亡射線，擊落導彈和衛星。
在同一十年中，勞倫斯利弗莫爾還建造了第一個非核、實驗室規模的 X 射線雷射器。它由最初設計用於測試核武器特性的巨型光學雷射器供電。但這些早期裝置並不是實用的研究儀器。幾十年來，X 射線雷射器是否會被常規用於科學應用的可能性似乎仍然遙遠。
亞原子拆除德比
最終使研究人員能夠開發用於民用用途的 X 射線雷射器的突破來自另一個灣區機構，該機構使用了一種完全用於不同目的的裝置。在 20 世紀 60 年代，斯坦福大學建造了世界上最長的電子加速器。這座三公里長的建築物可以從太空看到——它看起來像一根從山脈指向大學校園中心的針。SLAC 線性加速器（線性加速器的縮寫）將密集的電子束加速到非常接近光速的速度——如此接近，以至於在一秒鐘的比賽中，光子將傳播近 3 億公里，而電子將落後它們僅一釐米。
SLAC 機器為粒子物理學領域的實驗發現帶來了三個諾貝爾獎，但最終它走到了生命的盡頭。粒子物理學家現在在大型強子對撞機上進行他們的發現。十年前，斯坦福大學和 SLAC 的母公司——能源部科學辦公室——決定透過為老化機器的部分配備用於在現代同步加速器中產生 X 射線的相同裝置：波盪器，將老化機器的部分變成 X 射線雷射器。
波盪器由一系列產生交變磁場的磁鐵組成。穿過波盪器的電子會擺動併發出 X 射線。在同步加速器（閉環）中，電子一旦離開波盪器就會彎曲成弧形軌跡。這樣，粒子就會避開，X 射線可以不受阻礙地移動到實驗站。電子不斷地繞著跑道迴圈，每次透過波盪器時都會發射出 X 射線脈衝。
然而，SLAC 加速器是一條直線，並且波盪器異常長（130 米）。電子沿著與光子相同的路徑移動——並且速度幾乎相同。結果是一場亞原子拆除德比。電子無法避開它們發射的 X 射線光子，因此光子會一次又一次地從側面撞擊它們。這樣做，光子透過受激發射過程誘導電子發射克隆 X 射線光子。
該過程類似於光學雷射器中發生的過程，但有所不同。不需要鏡子來使光在電子之間來回反射，因為它們一起移動。產生雷射所需的只是一束強烈的快速電子束和一個足夠大的空間來容納一個長波盪器。而 SLAC 兩者兼備。
如果一切都幾乎完美地對齊，瞧，一束異常明亮的 X 射線束。線上路的末端，電子被轉移，光子進入實驗站。該系統在技術上稱為自由電子雷射器。
雖然 LCLS 不是“星球大戰”的槍，但它仍然是一個強大的裝置。其峰值聚焦強度為 10
18 瓦特/平方釐米，比同步加速器光源的強度高數十億倍。雷射可以切割鋼鐵。其振盪電磁場可以比將分子中的原子相互結合的場強 1000 倍。
窺視木星的核心
對雷射器的需求如此之大，以至於它只能容納不到四分之一的使用它的研究提案。現場工作人員與大型訪問團隊的學生、博士後和資深科學家一起進行緊張的馬拉松式工作，每天 12 小時，持續五天。每一微秒都很重要。
X 射線雷射器使研究成為可能，其範圍廣泛——並且不受物理學傳統界限的限制。就在今年，一個包括生物學家在內的合作組織報告稱，使用 LCLS 製作了活細菌的第一批高解析度 X 射線影像，另一個合作組織將一系列 X 射線快照拼接在一起，建立了一個令人驚歎的病毒 3D 模型。
在我們自己進行的原子、分子和光學物理學研究中，我們最近使用 LCLS 研究了我們特別感興趣的兩個科學問題。第一個是物質在極端條件下的行為方式。第二個是可以從分子的超快成像中學到什麼。
回想一下我們之前描述的那些奇怪的空心氖原子。原子外殼的電子僅需飛秒即可落入以替換從內殼層丟失的電子（一種稱為俄歇弛豫的現象）。如果我們將更短的 1 飛秒 X 射線脈衝照射到原子上，則沒有外層電子有時間落入空缺的內殼層。因此，當原子是空心的時候，對於任何額外的 X 射線輻射都應該是透明的，無論輻射有多強。事實上，我們已經在 LCLS 中檢測到了這種空心透明度——不僅在原子中，而且在分子和更大的物質塊中。
理論家認為，在木星等巨行星內部，溫度達到 20,000 攝氏度——比太陽表面高四倍。氫氣和氦氣是這顆行星的主要成分，據推測呈現出具有極端密度和結構的奇異固態。然而，人們對具體情況知之甚少。即使是材料的強度，或其在壓力下的壓縮，也不容易測量，並且從基本原理上來說也不容易理解。到目前為止，該領域的研究主要依賴於理論模型。能夠驗證模型的實驗很少。
LCLS 進行的一些首批實驗試圖重現這些惡劣條件。雷射的超高強度可以以驚人的速度加熱物質，產生不尋常的效果。例如，我們首次觀察到多個 X 射線如何集體攻擊由許多原子組成的分子，以釋放與原子核緊密結合的電子，這一過程稱為多光子吸收。
此外，明亮的 X 射線可以快速破壞預計存在於巨行星內部的所有分子中的鍵，包括水、甲烷和氨。對 X 射線誘導的極端條件下的物質的測量有助於確定狀態方程——控制巨行星核心和隕石撞擊期間的密度、溫度和壓力的公式。
爆炸的蛋白質
第二個研究方向——利用雷射作為 X 射線高速相機對分子進行成像並記錄物理、化學和生物動力學的電影——正在填補我們知識中的一個嚴重空白。研究人員對許多生物分子的結構知之甚少——特別是膜蛋白和大型大分子複合物。標準技術晶體學首先生長足夠大且足夠完美的晶體，以衍射同步加速器 X 射線束。由此產生的圖案揭示了分子的結構。
不幸的是，X 射線會迅速損壞它們探測的分子。為了彌補這一點，研究人員必須製備大型晶體，但許多感興趣的分子，包括膜蛋白，都非常難以結晶。同步加速器技術也很慢，因此無法觀察飛秒化學時間尺度上發生的瞬態現象。
乍一看，LCLS 似乎是這項工作的完全錯誤的工具。由於它的強度比同步加速器光源強數十億倍，因此蛋白質或非晶體系統等脆弱材料甚至無法在爆炸並變成非常熱的等離子體湯之前倖存一個 X 射線脈衝。
具有諷刺意味的是，這種破壞性的強度正是我們所需要的。由於脈衝非常短而明亮，它可以比分子能夠爆炸的速度更快地捕獲影像。因此，儘管雷射會摧毀樣本，但它會在分子消亡之前捕獲分子的清晰影像。
這種稱為“破壞前衍射”的概念已經開始取得成果。科學家們已經使用飛秒晶體學記錄了納米晶體、蛋白質和病毒的衍射圖案。最近的工作已經繪製出了與昏睡病相關的蛋白質結構，昏睡病是由原生動物寄生蟲引起的致命疾病。
既然 LCLS 已經率先使用了這項技術，其他自由電子 X 射線雷射器也正在研發中。在日本，SACLA 雷射設施於 2011 年開放。在歐洲，一個大型 X 射線雷射器正在德國漢堡附近建造，計劃於 2017 年完工。在美國，SLAC 正在建造 LCLS II。這種升級將以高重複率提供軟 X 射線，這將使我們能夠進行新型實驗。
新一代機器的設計目的是創造更穩定、更好控制和更強的雷射束。一個特別重要的目標是使 X 射線脈衝更短。透過使用短至 0.1 飛秒（100 阿秒，或千兆分之一秒）的脈衝，我們可能會開始觀察到的不僅僅是原子的運動，還有原子和分子內的電子運動。新裝置甚至可能使我們能夠控制這種運動。製作顯示化學鍵如何斷裂以及新鍵如何形成的電影的夢想觸手可及。