来自《自然》杂志
这个加压圆柱形腔体可以放在玛格丽特·穆尔纳恩的手掌中。然而，从设备的一端发出的X射线束，其能量几乎与大型粒子加速器产生的光一样强大。
玛格丽特·穆尔纳恩和亨利·卡普坦均为科罗拉多州博尔德市JILA（科罗拉多大学和美国国家标准与技术研究院的联合研究所）的物理学家，他们报告了首个桌面超短激光脉冲低能量或“软”X射线源。这种能够探测分子结构和动态的光，以前只能在大型、价值数十亿美元的国家级设施（如同步加速器或自由电子激光器）中获得，而这些设备的使用竞争非常激烈。但是，穆尔纳恩、卡普坦及其同事在6月8日出版的《科学》杂志上发表的报告（T. Popmintchev等，《科学》336, 1287–1291; 2012）表明，这些设备可能很快就会在大学实验室的预算范围内。“对我们来说，在桌面系统中能够做到这一点真是不可思议，”穆尔纳恩说。“三年前，人们会说‘只有大型设施才能做到这一点’。”
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穆尔纳恩和卡普坦是一对夫妻团队，他们还领导着位于博尔德市的KMLabs公司，该公司已经销售类似的桌面极端紫外光源。穆尔纳恩认为，未来的软X射线源成本应该在100万美元左右，并希望其相对较低的成本和较小的尺寸将为材料科学家、生物学家和其他人打开X射线研究的大门。例如，该设备产生的射线束可以帮助材料科学家通过跟踪电子在太阳能电池中的路径来制造更好的太阳能材料，并可能使化学家能够追踪光合作用和催化的超快动力学。“这是人们长期以来一直期待的东西，”加州大学圣地亚哥分校的物理学家奥列格·什皮尔科说。什皮尔科经常要等待几个月才能在伊利诺伊州阿贡国家实验室的同步加速器——先进光子源获得实验许可，然后必须让他的学生飞越半个国家才能完成这项工作。
桌面光源依赖于一种称为高次谐波产生的技术，其中激光束通过一种介质，将其转换为波长更短、频率更高的光。例如，将红宝石激光器照射到石英晶体中，就会发出紫外光束——虽然较暗，但仍然像激光束一样聚焦。
穆尔纳恩和卡普坦已将高次谐波产生技术推向极限，他们使用的系统以红外激光器为光源，以加压氦气为介质。激光器产生强电场，将电子从氦原子中拉出，使电子能够从电场中吸收能量。当它们猛烈撞击回氦原子时，它们会将吸收的能量以波长较短的光子形式释放出来——但每输入5000个红外光子，大约只会输出一个光子。
结果是产生的光的波长几乎与同步加速器产生的光一样短。通过增加气体压力——理论家认为这可能会使光束散焦——穆尔纳恩和卡普坦可以产生波长为0.8纳米的光。在这些波长附近，用于磁体和超导体中的许多化学元素会吸收特定波段的光。卡普坦说，化学家可以利用这一点来辨别构成磁性计算机硬盘中信息位的镍原子的自旋态，例如。
在激光脉冲速度方面，桌面系统已经超越了大型光源设施。穆尔纳恩和卡普坦的设备产生非常快的脉冲，短至2.5阿秒（10−18 秒）——比同步加速器的皮秒（10–12）脉冲和自由电子激光器的飞秒（10–15）脉冲还要快。这个时间尺度甚至比化学键的形成和断裂还要快。“在这个时间尺度上，我们可以开始使用这些光源来解决我们不知道答案的问题，”德国加兴马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家、超快光源公司Femtolasers的联合创始人费伦茨·克劳斯说。
然而，这些光源产生的光强度远低于大型国家级设施。这是物理学家艾玛·斯普林盖特想要同时使用这两种技术的原因之一。斯普林盖特负责管理英国科学技术设施委员会卢瑟福·阿普尔顿实验室中央激光设施的阿耳忒弥斯部门，该部门已经拥有一台KMLabs的超快极端紫外光源，并可以访问同步加速器光源。“同步加速器为您提供静态、真正清晰的高分辨率图像，而超快光源为您提供略微模糊的电影，”斯普林盖特说。
穆尔纳恩说，桌面X射线源可能还需要几年时间才能问世，但她希望有一天它们能在实验室中像电子显微镜一样普及。什皮尔科就很期待那一天的到来。他解释说，等待国家级设施接受实验申请，感觉就像等待航天飞机发射。“如果你在自己的实验室里拥有其中一台，你可以设想一个实验，明天就尝试一下，”他说。