放置在世界上最強大的 X 射線雷射焦點處的原子、分子或塵埃微粒毫無機會。被照射的物質在不到萬億分之一秒的時間內達到超過一百萬開爾文的溫度，與日冕一樣熱。例如，暴露於如此極端輻射的氖原子迅速失去其所有 10 個電子，一旦它們失去了保護性的電子外殼，它們就會從相鄰原子中爆炸開來。對於物理學家來說，破壞的軌跡具有一種奇特的魅力。
令人震驚的過程在於，雷射從內向外煮沸原子的電子。電子像洋蔥軌道殼一樣環繞原子核，並非都對 X 射線束做出均勻反應。外殼幾乎對 X 射線透明，因此內殼承受了大部分輻射，就像微波爐中的咖啡在其杯子被加熱之前很久就被加熱一樣。該殼中的兩個電子射出，在其身後留下空白空間；原子是空心的。在幾個飛秒（千萬億分之一秒）內，其他電子被吸入以取代丟失的電子，並且核孔形成和空位填充的迴圈持續進行，直到沒有電子留下。此過程發生在分子以及固體物質中。
由此產生的奇異物質狀態僅持續幾個飛秒。在固體中，它衰變為電離狀態——等離子體——稱為溫稠密物質，通常僅在核聚變反應和巨行星核心等極端環境中發現。X 射線雷射束焦點處短暫但極端的環境在地球上是無與倫比的。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續釋出關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的報道。
X 射線雷射本身與它揭示的奇異現象一樣引人注目。它被稱為 SLAC 國家加速器實驗室的直線加速器相干光源 (LCLS)，讓人想起 1980 年代“星球大戰”導彈防禦系統，該系統的倡導者提議使用 X 射線雷射擊落彈道導彈和衛星，儘管這種真實世界的 X 射線雷射更多地歸功於大約在同一時間開發出的偉大的原子粉碎機。該裝置重新利用了美國首屈一指的原子粉碎機之一，即由斯坦福大學為美國能源部運營的 SLAC 線性加速器。這臺機器創造了許多發現和諾貝爾獎，使美國在基本粒子物理學領域保持了幾十年的領先地位。自 2009 年 10 月重新啟用為 LCLS X 射線雷射以來，它對於原子和等離子體物理學、化學、凝聚態物理學和生物學的重要性，就如同日內瓦附近 CERN 的大型強子對撞機對於基本粒子物理學的重要性一樣：一種以巨大的能量粉碎自然界的組成部分、創造空心原子等新物質形態的方式，或者僅僅像強大的高速顯微鏡一樣放大量子領域。LCLS 的 X 射線脈衝可以非常短（幾飛秒），以至於它們可以凍結原子的運動，使物理學家能夠觀察正在進行的化學反應。這些脈衝也非常明亮，使我們能夠對蛋白質和其他生物分子進行成像，而使用其他 X 射線源很難研究這些分子。
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。在其中環行的電子會發出 X 射線，這些射線進入排列在機器圓周周圍的儀器，就像風車輻條一樣。我們中的一位（Berrah）一生都在使用同步加速器 X 射線來研究原子、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的，因此原子在 X 射線束中會投下陰影。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血紅蛋白等大分子中的位置。（鐵是血液呈紅色的原因。）
然而，同步加速器 X 射線無法做到的事情是追蹤分子或固體內部的原子運動。我們看到的只是一片模糊的景象；脈衝不夠短或不夠亮。只有當分子排列在晶體中時，同步加速器源才能對分子進行成像，在晶體中，區域性力將數百萬個分子精確地排列成行，就像立正的相同士兵一樣。
雷射器本身則更亮，因為它們產生相干光：雷射中的電磁場不像波濤洶湧的海面那樣波濤洶湧，而是以受控的規律性平穩振盪。相干性意味著雷射可以將巨大的能量集中到一個微小的點上，並且可以在短短一飛秒內開啟和關閉。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。
然而，傳統的雷射器在可見光和近可見光波長下工作，比解析單個原子所需的波長長 1000 多倍。正如天氣雷達可以看到暴雨但無法分辨雨滴一樣，傳統雷射器可以看到原子集合如何運動，但無法分辨這些原子。為了投射清晰的陰影，光的波長必須至少與被觀察物體一樣小。為此，我們需要 X 射線雷射器。
簡而言之，X 射線雷射器克服了現有工具在最小尺度上對物質成像造成的缺點。然而，製造這樣的裝置並非易事。
死亡射線
曾經，考慮到製造任何雷射器都具有挑戰性，建造 X 射線雷射器的想法似乎很古怪。標準雷射器之所以工作，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，以光子或光粒子的形式。通常，它們會自發釋放能量，但在 20 世紀初，阿爾伯特·愛因斯坦發現了一種觸發釋放的方法，這個過程稱為受激發射。如果您使原子吸收一定量的能量，並用具有相同能量的光子擊中它，則原子可以釋放最初吸收的能量——產生光子的克隆。兩個光子（原始光子及其克隆）前進以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。
然而，即使條件合適，原子也並非總是克隆光子。給定原子在被另一個原子擊中時會發射光子的機率相當小，並且原子更有可能在此之前自發釋放能量。傳統雷射器透過泵入能量以激發原子，並使用鏡子來回傳送克隆光，招募新成員來克服這一限制。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，光透過在鏡子之間來回反射被迴圈利用 200 次。
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的能量也是光學光子的 1000 倍。原子不會長時間保持能量。而且，X 射線反射鏡很難獲得。儘管這些障礙並非根本性的，但需要巨大的能量輸入才能創造雷射條件。
事實上，第一臺 X 射線雷射器的能量來自地下核彈試驗。它是為舊金山以東勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室進行的代號為“Excalibur”的秘密專案而建造的。該專案仍處於保密狀態，儘管有關該專案的大量資訊已被公開。該裝置是前總統羅納德·里根 1980 年代“星球大戰”戰略防禦計劃的一部分，旨在充當死亡射線，擊落導彈和衛星。
在同一個十年中，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，其能量由旨在測試核武器特性的強大光學雷射器提供。然而，這些並非實用的研究儀器，而且 X 射線雷射器是否會被常規用於科學應用的可能性似乎很渺茫。
沒有懈怠 SLAC
最終使研究人員能夠開發用於民用目的的 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 1960 年代，斯坦福大學建造了世界上最長的電子加速器，這是一座三公里長的建築物，從太空看，它像一根從山脈指向大學校園中心的針。SLAC 直線加速器（機器的名稱）將密集的電子束加速到非常接近光速的速度（每秒一釐米以內）。該機器為粒子物理學中的實驗發現贏得了三項諾貝爾獎。
然而，它確實達到了其使用壽命的終點，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 的母機構——能源部科學辦公室——決定將這臺老化機器的一部分變成 X 射線雷射器。SLAC 為加速器配備了與現代同步加速器中用於產生 X 射線的裝置相同的裝置：波盪器。
波盪器由一系列產生交變磁場的磁鐵組成。在波盪器中移動的電子會擺動併發出 X 射線。在作為閉環的同步加速器中，一旦電子離開波盪器，它們的路徑就會彎曲成弧形。這樣，粒子就會避開 X 射線，X 射線被引導到實驗站。電子繼續繞著跑道執行，每次透過波盪器時都會發射出一束 X 射線。
然而，SLAC 加速器是一條直線，波盪器異常長（130 米）。電子沿著與光子相同的路徑以幾乎相同的速度移動。結果是亞原子拆除德比。電子無法避開它們發出的 X 射線光子，因此光子一次又一次地側向撞擊它們。透過這樣做，光子透過受激發射過程誘導電子發射克隆 X 射線光子。
不需要鏡子來回反射穿過電子的光，因為它們一起傳播。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 兩者都擁有。如果一切都近乎完美地對齊，瞧，一束異常明亮的 X 射線束。在末端，電子被轉移，光子進入實驗站。該系統在技術上被稱為自由電子雷射器。
雖然 LCLS 不是“星球大戰”的槍，但它仍然是一種強大的裝置。其峰值聚焦強度為每平方釐米 10^18 瓦，比同步加速器光源強數十億倍。雷射可以切割鋼鐵。其振盪電磁場可以比分子中將原子彼此束縛在一起的場強 1000 倍。
問題的核心
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。現場工作人員科學家與由學生、博士後和資深科學家組成的大型訪問團隊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，其範圍很廣。為了讓您瞭解可能實現的目標，我們在此重點關注我們特別感興趣的兩個科學問題：物質在極端條件下的行為方式以及可以從分子的超快成像中學到什麼。這兩個問題與原子、分子和光學物理學（我們的專業領域）中研究的基本過程密切相關。
當 LCLS 在分子和固體中建立空心原子時，它利用了原子外殼中的電子傾向於落入以取代內殼中丟失的電子的趨勢。這種現象稱為俄歇弛豫，需要幾個飛秒。因此，如果我們向系統照射一個飛秒的 X 射線脈衝，則沒有外電子有時間落入空心的內殼位置。在這些條件下，即使空心原子非常強烈，它們也會對任何額外的 X 射線光子透明。我們在 LCLS 中檢測到這種空心透明性，不僅適用於原子，也適用於分子和更大的材料樣品。
理論表明，在木星等巨行星內部，溫度達到 20,000 開爾文——比太陽表面熱四倍。氫和氦是行星的主要成分，據推測呈現出具有極端密度和結構的奇異固相。然而，人們對具體細節知之甚少。即使是材料的強度，即其在壓力下的壓縮，也很難測量，並且從基本原理上來說也不太容易理解。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 進行的一些最早的實驗試圖重現這些惡劣條件。雷射的巨大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 射線如何協同作用於由多個原子組成的分子，以釋放牢固地束縛在原子核上的電子，這一過程稱為多光子吸收。高光子密度還可以從單個原子、分子或固體中剝離出多個電子，從而如前所述將它們掏空，這一過程稱為順序吸收。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分子中的所有鍵，包括水、甲烷和氨。在極端條件下對物質的測量有助於確定巨行星核心和隕石撞擊期間的狀態方程——控制密度、溫度和壓力的公式。
炸裂的蛋白質
第二條研究路線——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影片——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。缺點是 X 射線很容易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 似乎正是這份工作錯誤的工具。由於它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 X 射線的一個脈衝下倖存下來，它們會在爆炸並變成非常熱的等離子體湯。具有諷刺意味的是，正是我們需要這種破壞性的強度。由於脈衝非常短而明亮，因此它可以比分子爆炸的速度更快地捕獲影像。因此，儘管雷射會摧毀樣品，但它會在分子消亡之前捕獲分子的清晰影像。
這種稱為“先衍射後破壞”的概念已經開始取得成效。科學家們已經使用飛秒晶體學來記錄奈米晶體、蛋白質和病毒的衍射圖案[參見方框]。最近的工作已經繪製出參與昏睡病的蛋白質結構，昏睡病是由原生動物寄生蟲引起的致命疾病。
[分隔符]
既然 LCLS 開創了這項技術，歐洲和亞洲的實驗室也在計劃或建造自己的自由電子 X 射線雷射器。新一代機器將更加穩定，並能更好地控制光束。一個特別重要的目標是使 X 射線脈衝更短。使用短至 0.1 飛秒（100 阿秒，或千萬億分之一秒）的脈衝，我們可能開始觀察到的運動不僅是原子的運動，還有原子和分子內部電子的運動。新裝置甚至可以讓我們控制這種運動。製作顯示化學鍵斷裂和新鍵形成的電影的夢想觸手可及。