了解将利用SLAC升级版X射线激光器的新仪器

美国能源部SLAC国家加速器实验室的团队最近庆祝了世界上第一个硬X射线自由电子激光器(XFEL)的重大升级，即美国能源部SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)国家加速器实验室。

全面投入使用后，其光束将比原来平均亮10,000倍，每秒产生的脉冲数增加8,000倍，每秒高达100万个脉冲，从而为材料、物理、化学和生物科学领域带来根本性的新见解。

但是，实现非凡的科学需要的不仅仅是向物体发射强大的激光脉冲，还需要尖端的科学仪器和技术，这些仪器和技术将利用升级后的设施的新功能并扩大该设施研究的广度。以下是其中一些仪器和技术的用途。

弹跳电子

LCLS的两种新仪器chemRIXS和qRIXS实施了一种称为共振非弹性X射线散射(RIXS)的方法。这个想法是从材料上散射X射线脉冲，将原子深处的电子驱动到更高的能态。通过测量电子回到原来位置时发出的光，研究人员可以详细探测材料的特性。

SLAC负责这些仪器的首席科学家GeorgiDakovski表示：“RIXS是一项发展相当迅速的技术。”“它能够告诉我们许多有关材料行为的有用信息，而这是通过任何其他方法无法获得的。”

Dakovski表示，现在，随着LCLS-II的升级，RIXS可以做的不仅仅是拍摄静态照片。“我们实际上可以看到材料如何随时间变化。我们可以跟踪能量在材料内的流动方式——观察电子电荷和自旋之间的相互作用，以及原子如何振动和相互作用。这种能量流动发生在极快的时间尺度上。’它需要非常高通量的飞秒光学和X射线脉冲。这就是LCLS-II凭借其前所未有的平均亮度提升而提供的变革能力。”

这种能力将有助于研究光系统II(PS-II)等分子，光系统II是植物、藻类和蓝细菌中的一种关键蛋白质复合物，可分解水，产生我们呼吸的氧气。尽管XFEL在捕捉该过程的中间状态方面取得了巨大进展，但科学家们仍在努力捕捉这些状态之间的过渡时刻以及整个反应周期中的电荷流动。chemRIXS的实验将为这一过程提供更多的见解，从而为下一代人工光合作用系统提供信息，这些系统可以利用阳光和水产生更清洁、更可再生的能源。

在qRIXS，科学家们将使用相同的基本技术来研究量子材料中产生室温超导性和其他现象的特性。

特别令人感兴趣的是氧化铜或铜酸盐，这是一类非常规超导材料，可以在意想不到的高温下无损耗地传输电流。最近的研究强调了电荷密度波(穿过材料的较高和较低电子密度的静态条纹)的作用，以及这些波与其他状态之间的转变，尽管仍然存在许多问题。借助qRIXS，研究人员将能够详细研究这些状态，从而对备受争议的高温超导机制产生新的见解。

观看化学反应发生

时间分辨原子、分子和光学科学(TMO)仪器追随现已退役的AMO仪器的脚步，科学家们开发了一种测量持续时间仅为几百阿秒(或十亿分之一秒)的超短X射线脉冲的方法。十亿分之一秒)。

产生如此短的X射线脉冲的方法称为X射线激光增强阿秒脉冲发生(XLEAP)，它产生的脉冲比获得2023年诺贝尔物理学奖的开创性工作亮数百万倍。这种方法使科学家能够研究分子周围的电子如何快速启动生物学、化学、材料科学等领域的关键过程。

TMO具有两个用于测量的位置或交互点。第一个用途非常广泛，重点是测量当X射线与分子样品相互作用时从原子中发射的电子。这些电子的光谱提供了分子中不同原子附近的化学(键合)环境的信息。

软或低能量X射线超短脉冲为科学家提供了一种新方法来研究简单和复杂分子系统中的瞬态能量和电荷流，以及它们的功能。了解原子长度和阿秒时间尺度的孤立系统有助于研究人员设计新的催化剂和清洁能源，减少对环境的影响，为增强社会的可持续性提供基础基础。

TMO中的第二个相互作用点可以利用称为反应显微镜的技术来研究孤立的量子系统。强烈的X射线与分子样品相互作用，剥离电子并导致分子爆炸。反应显微镜收集爆炸碎片，并利用这些信息在X射线脉冲到达之前重建分子系统的结构。

这种新型“成像”提供了对分子运动的深入了解，分子运动是许多重要过程的核心，例如光合作用、催化以及化学键的形成和断裂，而在量子层面上人们对此知之甚少。

“假设你想观察一个分子，”SLAC的TMO仪器首席科学家JamesCryan说。“通过测量分子吸收什么颜色(或能量)的X射线以及吸收如何随时间变化，您可以了解分子中电子的大量信息。目前，我们很难获得大量颜色和时间点。可能需要几天甚至多个光束时间才能收集足够的有意义的数据以进行基本理解。LCLS-II的高重复率将使我们能够非常快速地对分子进行全面扫描。增加的数据速率将使我们能够测量分子的多种特性并将它们关联在一起，以便更好地了解其功能。”

LCLS-II凭借其新功能和更新的仪器套件，将通过捕获其他光源无法企及的快速过程的详细快照，帮助研究人员应对科学领域的无数重大挑战。