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如何拍下万亿分之一秒内的原子“电影”?超级X光给出答案

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在我们看不见的微观世界里,每分每秒都在上演着宇宙最惊心动魄的“动作大片”。分子是身怀绝技的特工,它们精准变形、结合与分离;原子是舞步飞旋的舞者,在万亿分之一秒内完成着生命的协奏;正在光合作用的植物叶片中的分子拆解水分子释放氧气;入侵细胞时,病毒的蛋白质外壳又突然变形“开锁”……

如何把这些在分子世界上演的精彩纷呈的片段记录下来?揭示其中的奥秘呢?

图1: XFEL拍摄概念图

(图片来源:作者由AI生成)

要想看清楚这些飞秒(一千万亿分之一秒)内原子级的动态过程,就要借助一款“超级摄像机”——X射线自由电子激光(XFEL)。正是借助它,科学家们得以拍摄微观世界奇妙的“分子电影”。

传统方法存在什么困境?

想拍摄一张清晰的照片,离不开高分辨率与合适的快门时间。给原子“拍电影”,捕捉它们在化学反应中的瞬间动态更是如此。

但对于传统方法而言,有重重困难横于眼前。想看清楚原子,分辨率需要达到0.1纳米,需选用波长极短的X光。为此,科学家们研究出同步辐射的方法来产生高亮度X光。虽然分辨率达到要求了,但其X光脉冲为皮秒级(一万亿分之一秒),也就是说其快门时间远远大于所要拍摄画面的发生时间,画面会模糊不清。

不仅如此,由于X光高能量的特性,长时间辐射会损坏生物样品。而传统成像需要长时间累积足够的光子才能形成清晰图像,因此在利用X光看清结构之前,生物样品已经被损坏了。也就是说,想“看见”就要用X光照射,但在照射完成之前,作为“被拍摄者”的样品已经被摧毁了。这听起来像是一个无解的问题,但科学家们还是找到了解决方案。

革命性的解决方案——XFEL

X射线自由电子激光(XFEL)因其能产生超亮、超短脉冲的X射线成为突破口,使科学家们能够“拍摄”到清晰的原子动态瞬间。那自由电子激光是什么呢?

自由电子激光是利用接近光速的高能电子束,通过周期性磁场(波荡器)迫使电子振荡并辐射光波,在自放大自发辐射等机制下,光波与电子束相互作用,被相干放大,最终形成的高强度、高相干性的激光。X射线自由电子激光(XFEL)装置的核心是利用巨大的粒子加速器隧道产生X射线激光的过程。

首先,在直线加速器中将一束电子束加速至接近光速。

随后,高速电子束进入波荡器(由N、S极交替排列的磁铁组成)中,在磁场的作用下,电子被迫进行快速的横向振荡。电子在振荡的过程中辐射X射线,这些辐射出的X射线又会进一步地与前方电子相互作用,迫使其同步振荡产生共振,辐射被强烈地同步放大,即自放大自发辐射。

最终,产生出具有超高亮度、超短脉冲(飞秒甚至阿秒级)、优异相干性的X射线激光束——XFEL。

图2:自由电子激光基本构成

(图片来源:参考文献[1])

由于XFEL脉冲在飞秒甚至阿秒量级,样品在被X光彻底摧毁之前,就已被成像或探测,这有效规避了传统方法的辐射损伤难题。而且XFEL同时具有高分辨率,即原子尺度0.1 纳米,又有合适的快门时间,即与反应时间相近甚至更短的飞秒甚至阿秒量级。这都使得XFEL成为拍摄原子动态瞬间的理想“摄像机”。

那科学家们又是如何拍摄的呢?这就不得不提到一个重要技术——泵浦-探测。

泵浦-探测的过程就如同导演拍电影一样。泵浦,即“action”,发射信号使反应开始。采用一束超短激光脉冲(例如红外光或可见光)激发样品启动反应。探测,即拍摄,拍摄不同时刻的场景用于串联成电影。在飞秒精度的延时后,发射一束XFEL脉冲通过成像、衍射或光谱分析探测样品状态。改变延时并重复实验,就可以串联成一部原子的“电影”。

现已拍成的“电影”
  • 光合作用中氧气的释放

植物是具体如何”拆解”水分子、制造氧气的?这一光合作用的核心谜题,如今被X射线自由电子激光(XFEL)揭开神秘面纱。科学家们利用XFEL首次捕捉到光系统II(PSII)中水分子逐步”裂变”生成氧气的全过程,获得了从水到氧气的关键中间态结构快照。这代表着维持地球上现有生态系统正常运转的重要化学反应——光合作用的动态细节首次展现于我们眼前。为进一步的人工光合作用,清洁能源制造奠定了坚实基础。

  • 病毒入侵细胞

高中的生物课上,我们了解到病毒通过表面蛋白变形入侵宿主细胞。但其蛋白构象动态变化的具体过程仍为一团迷雾。科学家们用激光模拟宿主细胞环境(如酸性pH值)触发病毒蛋白,再用XFEL在飞秒尺度上抓拍其构象变化的瞬间。成功解密了病毒是如何入侵细胞的,为后续阻断融合过程的靶向药物的研究提供思路。

中国力量:上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)

给原子拍“电影”怎么能少得了中国?位于上海张江的SHINE(Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility)是全球仅有的几台在建的硬X射线自由电子激光装置之一。它的核心是一台8 GeV(80亿电子伏特)的连续波超导直线加速器,总长3.1 km,每秒可产生高达100万次脉冲。将产生0.2 GeV–15 GeV全覆盖(覆盖软X射线到硬X射线)的 X 射线自由电子激光(XFEL),其峰值亮度远超传统同步辐射光源。

根据2025 年SHINE工程进展报告,截至2025 年7 月全部土建及公用工程交付。关于核心装置,注入器已完成安装与束流调试,成功实现100 MeV能量输出,束流性能达标(发射度低于0.57 mm mrad);超导直线加速器部分,已组装并水平测试16套1.3 GHz与2 套3.9 GHz低温模组(CM);CM01–CM14全面达标,CM15–CM20 正在总装;波荡器部分,硬X射线线(FEL-I)26 mm周期的平面波荡器(U26),已生产30套,4套已入隧道安装,软X射线线(FEL-II)包括55 mm周期波荡器(U55)和双周期U55/75,15套U55完成集成,5套开始安装。关键设备逐步国产化,多种核心部件实现自主研制,批量生产中。

SHINE配备4 套大型低温系统(含3台4kW@2K制冷机),为超导腔提供近绝对零度环境。首台制冷机已支持注入器运行,第二台通过测试,第三台进入试运行。采用欧洲核子中心(CERN)开发的“白兔”时间同步技术,精度达飞秒级(1秒的千万亿分之一)。注入器时序系统已完成调试,主加速器部分正在安装。

预计2026年SHINE实现软X射线(FEL-II)首次出光,2027年实现硬X射线(FEL-I)出光并整体验收。

“SHINE面临低温模块量产合格率、工期紧张等挑战,”项目报告坦言,“但团队正全力冲刺2026年首束光目标。当这台亚洲最亮的X射线光源亮起时,我们将拥有窥见自然最深奥秘的眼睛。”

图 3: SHINE的布局和主要参数

(图片来源:参考文献[6])

上海光源SHINE作为探索物质动态的国之重器,不仅是中国走在科学前沿的重要一步,还为原子尺度拍摄“分子电影”提供了终极工具。

未来,随着SHINE等装置点亮更短脉宽、更高亮度的相干光,我们或将解开更多微观世界的神秘面纱。

参考文献

[1] 赵振堂and 冯超. X射线自由电子激光. 物理, 47(3):153–160, 2018.

[2] Henry N Chapman, Petra Fromme, Anton Barty, Thomas A White, Richard A Kirian, Andrew Aquila,

Mark S Hunter, Joachim Schulz, Daniel P DePonte, Uwe Weierstall, et al. Femtosecond x-ray protein

nanocrystallography. Nature, 470(7332):73–78, 2011.

[3] 付磊, 何建华, and 曾梦琪. 同步辐射:从发现到科学应用. 科学出版社, 北京, 2022.

[4] Jan Kern, Ruchira Chatterjee, Iris D Young, Franklin D Fuller, Louise Lassalle, Mohamed Ibrahim, Sheraz

Gul, Thomas Fransson, Aaron S Brewster, Roberto Alonso-Mori, et al. Structures of the intermediates of

Kok’s photosynthetic water oxidation clock. Nature, 563(7731):421–425, 2018.

[5] Peter M Kasson, Grigory P´erez-Mej´ıas, Chen Zhang, Nicolas W Hengartner, and Sebastian Doniach.

Influenza hemagglutinin membrane fusion mechanism studied by XFEL. Nature Communications, 8:1458,

[6] 刘波. SHINE工程进展. 2025年超级陶瓷装置研讨会, 07 2025.

[7] 赵璇and 张文凯. X射线自由电子激光:原理、现状及应用. 现代物理知识, 31(2):14–21, 2019.

出品:科普中国

作者:李伊(北京师范大学物理与天文学院)

监制:中国科普博览


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