介绍将利用 SLAC 升级后的 X 射线激光器的新仪器

LCLS 的两台新仪器 chemRIXS 和 qRIXS 采用了一种名为共振非弹性 X 射线散射 (RIXS) 的方法。资料来源：杰奎琳-奥雷尔/SLAC 国家加速器实验室

美国能源部斯拉克国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）的团队最近庆祝了世界上第一台硬X射线自由电子激光器（XFEL）--美国能源部斯拉克国家加速器实验室的林纳相干光源（LCLS）--重大升级的完成。

全面投入使用后，其光束的亮度将平均提高 10,000 倍，每秒产生的脉冲数将是原来的 8,000 倍，最高可达每秒一百万个脉冲，从而能够在材料、物理、化学和生物科学领域提出新的基本见解。

但是，要实现非凡的科学，不仅仅是简单地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设施的新功能，扩大在该设施开展研究的广度。下面我们就来看看这些仪器和技术能做些什么。

反弹电子
LCLS 的两台新仪器 chemRIXS 和 qRIXS 采用了一种称为共振非弹性 X 射线散射 (RIXS) 的方法。其原理是将 X 射线脉冲散射到材料上，使其原子深处的电子进入更高的能量状态。通过测量电子重新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。

"RIXS 是一种发展相当迅速的技术，"SLAC 负责这些仪器的首席科学家 Georgi Dakovski 说。"它能够告诉我们很多关于材料行为的有用信息，而这些信息是任何其他方法都无法获得的。

现在，随着 LCLS-II 的升级，RIXS 能做的不仅仅是拍摄静态图片，Dakovski 说。"我们实际上可以看到材料是如何随时间变化的。我们可以跟踪能量如何在材料内部流动--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。这种能量流动的时间尺度极快。要 "捕捉 "它，我们需要非常高通量的飞秒光学和 X 射线脉冲。这就是 LCLS-II 的优势所在，它的平均亮度空前提高，将提供变革性的能力"。
 

在 chemRIXS 和 qRIXS 系统中，研究人员对材料进行 X 射线脉冲散射，使其原子内部电子进入更高的能量状态。通过测量电子重新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。 资料来源：杰奎琳-奥雷尔/SLAC 国家加速器实验室

这种能力将在研究光系统 II（PS-II）等分子时派上用场。光系统 II 是植物、藻类和蓝藻中的一种关键蛋白质复合体，它能分裂水，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。在 chemRIXS 进行的实验将使人们对这一过程有更深入的了解，从而为下一代人工光合作用系统提供信息，该系统可利用阳光和水产生更清洁、更可再生的能源。

在 qRIXS，科学家们将使用同样的基本技术来研究量子材料中产生室温超导和其他现象的特性。

尤其令人感兴趣的是铜氧化物或铜酸盐，这是一类非常规的超导材料，可以在出乎意料的高温下无损耗地携带电流。最近的研究强调了电荷密度波的作用--贯穿材料的较高和较低电子密度的静态条纹--以及这些波和其他状态之间的转换，但仍存在许多问题。利用 qRIXS，研究人员将能够对这些状态进行详细研究，从而对备受争议的高温超导机制产生新的见解。

时间分辨原子、分子和光学科学（TMO）仪器是继现已退役的 AMO 仪器之后，科学家们又开发出了一种测量超短 X 射线脉冲的方法，这种脉冲只持续几百阿秒（或十亿分之一秒）。资料来源：杰奎琳-奥雷尔/SLAC 国家加速器实验室

观察化学变化
时间分辨原子、分子和光学科学（TMO）仪器是继现已退役的 AMO 仪器之后，科学家们又开发出了一种测量超短 X 射线脉冲的方法，这种脉冲的持续时间只有几百阿秒（或十亿分之一秒）。

产生这种超短 X 射线脉冲的方法被称为 X 射线激光增强阿秒脉冲发生器（XLEAP），其脉冲亮度是获得 2023 年诺贝尔物理学奖的开创性工作的数百万倍。通过这种方法，科学家们可以研究电子如何在分子周围飞驰，启动生物、化学、材料科学等领域的关键过程。

TMO 有两个测量位置或交互点。第一个测量点用途非常广泛，重点测量 X 射线与分子样品相互作用时从原子中射出的电子。这些电子的光谱可提供分子中不同原子附近的化学（成键）环境信息。

超短脉冲软 X 射线或低能量 X 射线为科学家研究简单和复杂分子系统中的瞬时能量和电荷流动以及这些能量和电荷流动所实现的功能提供了一种新方法。对孤立系统的了解可以精确到原子长度和阿秒级，这有助于研究人员设计新型催化剂和清洁能源，减少对环境的影响，为提高社会的可持续发展奠定基础。

TMO 的第二个相互作用点可以利用一种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，并利用这些信息重建 X 射线脉冲到达之前的分子系统结构。

这种新型的 "成像 "使人们能够深入了解分子的运动，这种运动是许多重要过程的核心，如光合作用、催化作用以及化学键的生成和断裂，而人们对这些过程的量子水平知之甚少。

1 / 1TMO 使科学家能够研究电子如何在分子周围飞驰，启动生物、化学、材料科学等领域的关键过程。图片来源：杰奎琳-奥雷尔/SLAC 国家加速器实验室

"假设你想观察一个分子，"SLAC 的 TMO 仪器首席科学家 James Cryan 说。"你可以通过测量分子吸收什么颜色（或能量）的 X 射线以及这种吸收如何随时间变化来了解分子中电子的大量信息。目前，对我们来说，获得大量颜色和时间点是一项挑战。我们需要花费数天甚至多次光束时间，才能收集到足够多的有意义数据，从而了解基本情况。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。数据传输率的提高将使我们能够测量分子的多种特性，并将所有这些特性关联起来，从而更好地了解分子的功能"。

LCLS-II 具有新的功能和更新的仪器套件，将帮助研究人员通过捕捉其他光源无法实现的快速过程的详细快照，解决科学领域的无数重大挑战。