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  为了产生高精确度的X射线波长带,让直线加速器连贯光源进一步接近激光,研究人员为照片中展示的磁铁组室安装一个细长条钻石。这个新硬件安装在130米的磁铁组中部,也就是在X射线产生的位置

  通过采用自注入技术,直线加速器连贯光源产生的激光脉冲能够聚焦成非常狭窄的X射线波长,实现更高的强度,能够加速研究进程,更快得出研究发现,同时也能让此前不可能进行的一些实验成为可能。左侧图片展示了自放大自发辐射脉冲,右图展示了采用自注入技术产生的脉冲

  北京时间8月20日消息,据美国物理学家组织网报道,借助于一个细长条钻石,美国能源部斯坦福直线加速器中心(以下简称SLAC)国家加速器实验室的科学家将直线加速器连贯光源(以下简称LCLS)改造成一个精确度更高的工具,可用于探索纳米世界。经过这种改进,激光脉冲能够聚焦成非常狭窄的X射线波长,实现更高的强度,让此前不可能进行的一些实验成为可能。

  在一个被称之为“自注入”的过程中,钻石将激光束过滤成单一的X射线波长,而后进行放大。这种升级相当于将短柄斧变成解剖刀,赋予科学家在原子层面进行研究和操控物质时更大的控制能力,也允许他们拍摄更加清晰锐利的材料、分子和化学反应照片。

  SLAC科学家、研究论文合著者杰里-哈斯廷斯表示:“你的控制能力越强,所看发现的细节就越精细。近15年来,人们一直在讨论自注入技术。我们在SLAC进行研究时采取了这种由欧洲X射线自由电子激光装置项目和德国电子同步加速器中心的吉安卢卡-格罗尼、维塔利-科查亚和伊夫格尼-萨尔丁2010年提出的方法。我们的研究人员来自于SLAC和阿贡国家实验室,在研究这种激光时,我们吃惊地发现这项工程实际上非常简单并且具有成本效益。”

  哈斯廷斯指出世界各地的实验室都计划对X射线激光装置进行升级。研究论文刊登在上周的《自然-光子学》杂志上。自注入技术能够产生强度远远超过当前的LCLS的X射线脉冲。强度提高的脉冲可用于进一步探测复杂材料,帮助解答与高温超导体等奇异物质或者拓扑绝缘体内的复杂电子态有关的一系列疑问。

  LCLS通过将电子束加速到接近光速产生激光束,而后借助一系列磁铁让它们的移动轨迹呈Z字形。这能够促使电子放射出X射线,X射线汇聚成的激光脉冲亮度可达到此前任何激光脉冲的10亿倍,能够以千万亿分之一秒的惊人速度扫描样本。如果不采用自注入技术,X射线激光脉冲含有一系列波长(或者说颜色)并且无法预测,并非所有波长都是实验所需要的。直到最近,实现LCLS的更狭窄波长带仍需要剔除不需要的波长,导致脉冲强度大幅降低。

  为了产生高精确度的X射线波长带,让LCLS进一步接近激光,研究人员将一个细长条钻石安装在130米的磁铁组中部,也就是在X射线产生的位置。产生更狭窄波长带的研究才刚刚开始。SLAC加速器物理学家和研究论文合著者黄智容(Zhirong Huang,音译)表示:“在对这一系统进行优化和增加波动器之后,我们产生的激光脉冲强度可增加10倍。”黄智容为研发高精确度的X射线波长带做出了巨大贡献。

  LCLS项目组已开始征集采用自注入技术进行未来实验的提议。LCLS自注入系统的首批测试所取得的成果让世界各地的科学家陷入极大兴奋之中。来自其他X射线激光设施的代表——包括瑞士自由电子激光器项目,日本的X射线自由电子激光研究设施SACLA以及欧洲X射线自由电子激光装置项目——也帮助进行这项研究并且从中学到他们希望的东西,用于自己的项目。

  LCLS项目采用自注入技术进行研究的关键人物、研究论文合著者保罗-艾玛表示:“所有观察者都乐得合不拢嘴。”艾玛现就职于劳伦斯-伯克利国家实验室,很善于将复杂的工作简单化。他说:“自注入技术能够发挥作用,我感到非常高兴。”(孝文)

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