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揭秘“大連光源”:人類探測微觀世界的利器

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冬日的遼東半島,海風凜冽刺骨。位于大連這座濱海城市西側的長興島,因四面環海,人口稀少,更顯得肅殺、冷清。但就在這里,一項新的世界紀錄剛剛誕生。

1月15日,我國最新一代光源“極紫外自由電子激光裝置”,即“大連光源”,發出了世界最強的極紫外自由電子激光脈沖,單個皮秒激光脈沖產生140萬億個光子,成為世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子激光光源。

中國科學院副院長王恩哥評價這一成果時說,這是該院乃至我國又一項具有極高顯示度的重大科技成果。“大連光源”中90%的儀器設備由我國自主研發,標志著我國在這一領域占據了世界領先地位。

更值得一提的是,該裝置由中科院大連化學物理研究所和中科院上海應用物理研究所聯合研制,開創了我國科學研究專家與大科學裝置研制專家成功合作的先例。近日,中國青年報·中青在線記者走進“大連光源”,采訪有關專家進行揭秘。

看不見的“光”:人類探測微觀世界的利器

在大連長興島,“大連光源”躺在一個長達100多米的隧道里。在這里,最常見的就是各種燈光閃爍的實驗儀器,以及各類如同爬山虎般順著架子連接著儀器的線纜,當然,還有各種看不見的“光”。

現實中,人們接觸最多的“光”,怕是手機屏幕、電腦電視屏幕發出的光,還有白熾燈、霓虹燈的光,白天的太陽光,夜里的月光,以及大自然中水母、螢火蟲發出的光,等等。那么,光的本質究竟是什么?

電磁波。

——近代物理已經證明了這一點,并且發現光這種“電磁波”,還是人類認識和感知物質世界,探測原子和分子等微觀世界的最重要工具。

比如,對于聲音和圖像,人類可以通過麥克風和攝像頭轉換成“電”信號,然后進行處理和傳輸。同樣地,對于物質世界中的原子和分子,如果要“看到”它們,也只需要將其轉換成易于識別和處理的“電”信號。

一個最直接的方法,就是將原子或分子中的電子“打”出來,讓原子、分子變成帶有正電荷的離子,帶正電的離子擊打在探測器上,就會形成“電”信號。如此,科學家就可以靈敏地探測即“看到”微觀世界。

這其中的關鍵點,即將原子或分子中的電子“打”出來。不過,并非所有的“光”都能實現這一點。“極紫外光”是其中一種。

根據中科院大連化物所研究員戴東旭的說法,光(電磁波)本身帶有能量,其波長越短,能量就越高。也因此,它分為可見光和不可見光,后者包括紫外光、紅外光、X光,即人們通常所說的紫外線、紅外線、X射線。

可見光的能量算是小的。其波長大致處于400~700納米之間,可以刺激人的視覺細胞產生信號。

波長小于可見光的紫外光,因為能量高,會對人體產生危害,比如320~400納米和270~320納米之間的紫外光。

不過,當波長短到100納米附近時,光所具備的能量,足以電離一個原子或分子而又不會把分子打碎,這個波段的光,被科學家稱為“極紫外光”。

“大連光源”就是要造出這種“光”。一旦造出,就是人類探測微觀世界的一把利器。

最新一代光源是“拍電影”,上一代是“拍照片”

“大連光源”總負責人、中科院大連化物所副所長楊學明院士講了一個故事:19世紀末有人問,馬在奔跑時,究竟有沒有四蹄同時離地的瞬間?一時間眾說紛紜,因為僅靠人眼觀察,實在無法判斷。直到有人設計出一套連續拍照的裝置,將馬連續奔跑的過程“分解”為一幀幀照片,才得出了結論。

楊學明說,要研究物質是如何變化、運動的,最好的方式就是將過程“記錄”下來,能夠讓人們清楚地“看到”。如今,隨著人類對自然界的認識不斷深入,科學家已經知道,與人類生活息息相關的很多物理和化學過程,在本質上都是原子和分子過程。

而要控制或利用這些物理和化學過程,在楊學明看來,就需要在實驗室里,研究這些過程所涉及的原子和分子的反應機制,因此,就需要精確并且高靈敏度地“探測”所涉及的原子和分子。

事實上,為了“看到”微觀世界,人類制造出了各種各樣的工具,這類工具統稱為“光源”,其中一類在科學上廣泛使用的光源,利用了粒子加速器獲得高能粒子,高能粒子在磁鐵陣列中震蕩產生的高亮度的光被稱為同步輻射光。

物理學家斯蒂芬·霍金曾經說過,粒子加速器,是人類擁有的最接近時間機器的設備。而人類所能達到的最高溫度記錄,也是在粒子加速器中創造的。

從上世紀40年代,美國在加州大學伯克利分校發展了第一代高能電子束同步加速器之后,高亮度的同步輻射光源,已經成為當代科學研究最為重要的實驗工具之一。世界各國先后建立了幾十臺第三代光源,我國也有北京正負電子對撞機、合肥光源、廣東散裂中子源、蘭州重離子裝置、上海光源等。其中合肥光源和上海光源屬于第三代光源。

如今建成的“大連光源”,則是第四代,也是最新一代的光源,即自由電子激光裝置。中科院上海應用物理研究所所長趙振堂研究員說,這是當今世界上唯一運行在極紫外波段的自由電子激光裝置,也是世界上最亮的極紫外光源。

那么,第三代同步輻射光源和第四代自由電子激光裝置究竟有何區別?

趙振堂打了一個比方,上一代是“拍照片”的,而最新一代光源是“拍電影”的,進一步說,即第三代光源只能“看到”微觀世界物質的結構,而第四代光源則能記錄下微觀世界物質的動態過程。

楊學明以霧霾為例,從現有的研究來看,霾是一個從分子結構聚集起來的團簇,包括水、污染物等,那么在研究霧霾時,不僅要知道它是什么結構,即由什么組成,還要搞清楚這些組成部分,是如何聚集在一起的,這就需要科學家不僅要看到靜態的結構,還要看到動態的過程。

比如,在空氣潮濕的時候,空氣中霾的成分通常會有一個明顯的增長,為什么會這樣,這就需要對其發展過程進行研究。也因此,楊學明將“大連光源”這個第四代光源,稱為觀察原子、分子反應過程的攝像機,在原子、分子層次上探索物質世界的奧秘。

科學研究專家與大科學裝置研制專家首次攜手

第四代光源還有一個特點:足夠亮。

趙振堂給出一組對比:比起一般家用的白熾燈,太陽的亮度是其1萬倍;比起太陽,第三代光源則要亮100億倍;那么,比起第三代光源,第四代光源還要再亮100億倍。這里的亮度,是一個科學的概念,也稱為峰值亮度,定義是單位時間內、單位立體角內、單位面積上、單位波長范圍內所發射的光子數量。

在這般光源的照射下,幾乎所有的原子和分子都“無處遁形”。戴東旭說,如今建成的“大連光源”,就是當今世界上在極紫外波段最強的自由電子激光,因此是研究與原子分子過程相關的物理和化學科學問題的強有力的利器。

事實上,在越來越強調協同創新,而非“單打獨斗”的大科學時代,像“大連光源”這樣的大科學工程,越來越為科學界所重視。

如今,“大連光源”的建成出光,在王恩哥看來,也將大大促進我國在能源、化學、物理、生物、材料、大氣霧霾、光刻等多個重要領域研究水平的提升,為我國的科技事業注入新的活力。

楊學明也告訴記者,新的儀器發展,是學術研究發展最為重要的基礎,沒有新的科學儀器,在物理化學領域可以說是寸步難行。他還記得,當初之所以提出建設“大連光源”,正是因為科研工作多年受困于反應中間體的探測難題。

當時,他找到趙振堂,雙方一拍即合:這是我國打造新一代光源的絕佳契機。更為重要的是,雙方都意識到,這一項目將是科學研究專家與大科學裝置研制專家的首次攜手,而這,對于未來加快推動大科學裝置在科學研究中的應用,具有重要的現實意義。

很快,“大連光源”得到國家自然科學基金委國家重大儀器專項的資助,于2012年年初正式啟動,2014年10月正式在大連長興島開工建設。僅兩年時間,就完成了基建工程以及主體光源裝置研制。

去年9月24日22時50分,超過300兆伏的電子束流,依次通過自由電子激光放大器的各個元件。終于,總長18米的波蕩器陣列,發出了第一束極紫外光。

如今,經過調試后的“大連光源”,早已能發出更為強大的光束。但科學家并不會止步于此,中科院大連化物所研究員張未卿透露,國內未來很有可能進軍X射線波段的第四代光源。

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責任編輯: 閆月

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