原子、分子或细菌一旦被放置在世界上最强大的 X 射线激光的焦点上，就毫无机会。高达万亿的高能光子，以统一的方式运动，扫过物质，在不到万亿分之一秒的时间内将其加热到超过一百万摄氏度——像太阳日冕一样热。当如此极端的辐射脉冲击中氖原子时，所有 10 个电子都会从每个原子上沸腾脱落，裸露的原子核会从同样电离的邻居处爆炸开来。这种毁灭会留下一条破坏的痕迹，可以阐明自然界的一些奥秘。
例如，在爆炸氖的情况下，X 射线激光令人惊讶地从内到外剥离原子的电子。电子像洋葱一样分层轨道围绕每个原子核运行，但外层对于 X 射线几乎是透明的。因此，光束会继续前进，直到击中最内层的两个电子。它们承受了辐射的大部分冲击，就像微波炉中的咖啡在杯子变热之前很久就变热一样。从中心弹出后，这两个电子留下了一个空心的原子。但在飞秒（千万亿分之一秒）之内，其他电子向内移动以填补空隙。空心化和填充的循环重复进行——全部都在单个极短的 X 射线脉冲内——直到没有电子留下。
结果是一种奇异的电离等离子体，处于称为温稠密物质的状态——通常只在核聚变反应和巨行星核心等极端环境中发现。仅仅几飞秒，X 射线激光束焦点处的破坏性环境在地球上是无与伦比的。
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X 射线激光本身与它揭示的奇异现象一样引人注目。被称为 SLAC 国家加速器实验室的 Linac 相干光源 (LCLS)，它让人想起 20 世纪 80 年代的“星球大战”导弹防御系统。该计划的倡导者提议使用 X 射线激光击落弹道导弹和卫星。
这种真实的 X 射线激光实际上更多地归功于那个时代建造的国家顶级原子粉碎机——特别是斯坦福大学为美国能源部运营的 SLAC 线性加速器。该加速器产生了许多使美国在基本粒子物理学领域保持领先地位数十年的发现和诺贝尔奖。然后它被重建为 LCLS X 射线激光器，于 2009 年 10 月上线。
从那时起，LCLS 对于原子和等离子体物理学、化学、凝聚态物理学和生物学来说，就像日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机对于基本粒子物理学一样。该装置为物理学家提供了一个强大的锤子来粉碎自然界的构建基块，从碎片中创造出新的物质形态，例如空心原子。我们也像使用强大的高速显微镜一样使用它来放大量子领域。LCLS 的 X 射线脉冲不仅非常明亮，而且非常短——只有几飞秒长。我们使用它们使原子在运动中冻结，观察正在进行的化学反应，并以精细的细节对活微生物和病毒进行成像。
原子的阴影
X 射线激光融合了当今实验物理学家使用的两种主要工具：同步加速器光源和超快激光器。同步加速器是跑道式粒子加速器。在其中环绕的电子会抛射出 X 射线，X 射线进入排列在机器圆周周围的仪器，就像风车轮辐一样。
我们中的一位（Berrah）一生都在使用同步加速器 X 射线研究原子、分子和纳米系统的深层内部。X 射线光非常适合此目的。它的波长是原子大小，因此原子会在 X 射线束中投下阴影。此外，可以调整 X 射线以挑选出特定类型的原子——例如，仅铁原子——并显示它们在固体或大型分子（如血红蛋白）中的位置。
然而，同步加速器产生的 X 射线在一个关键方面受到限制：它们无法追踪大多数分子或固体内部的原子运动。脉冲不够短或不够亮，因此除非目标是晶体，否则它们只能产生昏暗、模糊的图像，在晶体中，局部力将数百万个分子精确地排列成行，就像完全相同的士兵在立正一样。
激光器本身亮度要高得多，因为它们发射的光是相干的。激光中的电磁场不像波涛汹涌的大海表面那样起伏不定；它是一系列规则的平滑振荡。
激光器可以利用这种规律性将大量的能量聚焦到空间和时间的一个微小点上；它们可以在短至飞秒的时间内打开和关闭。我们中的一位（Bucksbaum）使用超快光学激光脉冲作为频闪灯来研究原子的运动和化学反应的步骤。
但传统激光器在可见光波长或附近波长下工作——波长至少比解析原子所需的波长长 1000 倍。正如天气雷达可以看到暴雨但无法分辨雨滴一样，光学激光器可以看到原子集合是如何运动的，但它们无法区分单个原子。为了投射清晰的阴影，光的波长必须不大于被观察的物体。因此，我们需要 X 射线激光器来对原子成像。然而，实际构建这样的设备并非易事。
死亡射线
曾经，建造 X 射线激光器的想法似乎很古怪。标准激光器已经很难构造了。它们之所以工作，是因为原子就像微型电池：它们可以吸收、存储和释放少量能量，以光子的形式。通常，原子会自发地发射光子，但在 20 世纪早期，阿尔伯特·爱因斯坦发现了一种触发释放的方法，这种过程称为受激发射。如果您使原子吸收一定量的能量，然后用具有相同能量的光子击中它，原子可以释放最初吸收的能量——从而产生光子的克隆。两个光子（原始光子及其克隆）继续前进，触发一对其他原子释放能量，依此类推，在指数链式反应中建立克隆军队。激光束就是结果。
即使在条件合适的情况下，原子也不总是像您预期的那样克隆光子。当高能原子受到另一个光子的撞击时，它发射光子的概率与原子只是自发释放能量的可能性相比很小。传统激光器通过两种方式克服了这一限制。它们泵入能量来激发原子。并且它们使用镜子来来回发送克隆的光，沿途招募新的“士兵”。
例如，在超市价格扫描仪中使用的典型氦氖激光器中，连续的电子流与气体中的原子碰撞，使其能量增加。光在镜子之间来回反射 200 次后才射出激光器。
对于 X 射线激光器，此过程的每一步都变得更加困难。一个 X 射线光子可能包含的光子能量是光学光子的 1000 倍，因此每个原子必须吸收 1000 倍的能量。原子不会长时间保持这种能量。此外，X 射线反射镜很难获得。尽管这些障碍并非不可逾越，但需要巨大的能量输入才能创造出激光条件。
事实上，第一台 X 射线激光器的能量来自 20 世纪 80 年代的地下核弹试验。它是为旧金山东部劳伦斯利弗莫尔国家实验室执行的代号为“Excalibur”的秘密项目而建造的。该项目仍然是机密的，尽管有关它的一些信息已经公开。该装置是前总统罗纳德·里根的战略防御倡议（又名“星球大战”）的一部分，旨在充当死亡射线，击落导弹和卫星。
在同一十年中，劳伦斯利弗莫尔还建造了第一个非核、实验室规模的 X 射线激光器。它由最初设计用于测试核武器特性的巨型光学激光器供电。但这些早期设备并不是实用的研究仪器。几十年来，X 射线激光器是否会被常规用于科学应用的可能性似乎仍然遥远。
亚原子拆除德比
最终使研究人员能够开发用于民用用途的 X 射线激光器的突破来自另一个湾区机构，该机构使用了一种完全用于不同目的的设备。在 20 世纪 60 年代，斯坦福大学建造了世界上最长的电子加速器。这座三公里长的建筑物可以从太空看到——它看起来像一根从山脉指向大学校园中心的针。SLAC 线性加速器（线性加速器的缩写）将密集的电子束加速到非常接近光速的速度——如此接近，以至于在一秒钟的比赛中，光子将传播近 3 亿公里，而电子将落后它们仅一厘米。
SLAC 机器为粒子物理学领域的实验发现带来了三个诺贝尔奖，但最终它走到了生命的尽头。粒子物理学家现在在大型强子对撞机上进行他们的发现。十年前，斯坦福大学和 SLAC 的母公司——能源部科学办公室——决定通过为老化机器的部分配备用于在现代同步加速器中产生 X 射线的相同设备：波荡器，将老化机器的部分变成 X 射线激光器。
波荡器由一系列产生交变磁场的磁铁组成。穿过波荡器的电子会摆动并发出 X 射线。在同步加速器（闭环）中，电子一旦离开波荡器就会弯曲成弧形轨迹。这样，粒子就会避开，X 射线可以不受阻碍地移动到实验站。电子不断地绕着跑道循环，每次通过波荡器时都会发射出 X 射线脉冲。
然而，SLAC 加速器是一条直线，并且波荡器异常长（130 米）。电子沿着与光子相同的路径移动——并且速度几乎相同。结果是一场亚原子拆除德比。电子无法避开它们发射的 X 射线光子，因此光子会一次又一次地从侧面撞击它们。这样做，光子通过受激发射过程诱导电子发射克隆 X 射线光子。
该过程类似于光学激光器中发生的过程，但有所不同。不需要镜子来使光在电子之间来回反射，因为它们一起移动。产生激光所需的只是一束强烈的快速电子束和一个足够大的空间来容纳一个长波荡器。而 SLAC 两者兼备。
如果一切都几乎完美地对齐，瞧，一束异常明亮的 X 射线束。在线路的末端，电子被转移，光子进入实验站。该系统在技术上称为自由电子激光器。
虽然 LCLS 不是“星球大战”的枪，但它仍然是一个强大的设备。其峰值聚焦强度为 10
18 瓦特/平方厘米，比同步加速器光源的强度高数十亿倍。激光可以切割钢铁。其振荡电磁场可以比将分子中的原子相互结合的场强 1000 倍。
窥视木星的核心
对激光器的需求如此之大，以至于它只能容纳不到四分之一的使用它的研究提案。现场工作人员与大型访问团队的学生、博士后和资深科学家一起进行紧张的马拉松式工作，每天 12 小时，持续五天。每一微秒都很重要。
X 射线激光器使研究成为可能，其范围广泛——并且不受物理学传统界限的限制。就在今年，一个包括生物学家在内的合作组织报告称，使用 LCLS 制作了活细菌的第一批高分辨率 X 射线图像，另一个合作组织将一系列 X 射线快照拼接在一起，创建了一个令人惊叹的病毒 3D 模型。
在我们自己进行的原子、分子和光学物理学研究中，我们最近使用 LCLS 研究了我们特别感兴趣的两个科学问题。第一个是物质在极端条件下的行为方式。第二个是可以从分子的超快成像中学到什么。
回想一下我们之前描述的那些奇怪的空心氖原子。原子外壳的电子仅需飞秒即可落入以替换从内壳层丢失的电子（一种称为俄歇弛豫的现象）。如果我们将更短的 1 飞秒 X 射线脉冲照射到原子上，则没有外层电子有时间落入空缺的内壳层。因此，当原子是空心的时候，对于任何额外的 X 射线辐射都应该是透明的，无论辐射有多强。事实上，我们已经在 LCLS 中检测到了这种空心透明度——不仅在原子中，而且在分子和更大的物质块中。
理论家认为，在木星等巨行星内部，温度达到 20,000 摄氏度——比太阳表面高四倍。氢气和氦气是这颗行星的主要成分，据推测呈现出具有极端密度和结构的奇异固态。然而，人们对具体情况知之甚少。即使是材料的强度，或其在压力下的压缩，也不容易测量，并且从基本原理上来说也不容易理解。到目前为止，该领域的研究主要依赖于理论模型。能够验证模型的实验很少。
LCLS 进行的一些首批实验试图重现这些恶劣条件。激光的超高强度可以以惊人的速度加热物质，产生不寻常的效果。例如，我们首次观察到多个 X 射线如何集体攻击由许多原子组成的分子，以释放与原子核紧密结合的电子，这一过程称为多光子吸收。
此外，明亮的 X 射线可以快速破坏预计存在于巨行星内部的所有分子中的键，包括水、甲烷和氨。对 X 射线诱导的极端条件下的物质的测量有助于确定状态方程——控制巨行星核心和陨石撞击期间的密度、温度和压力的公式。
爆炸的蛋白质
第二个研究方向——利用激光作为 X 射线高速相机对分子进行成像并记录物理、化学和生物动力学的电影——正在填补我们知识中的一个严重空白。研究人员对许多生物分子的结构知之甚少——特别是膜蛋白和大型大分子复合物。标准技术晶体学首先生长足够大且足够完美的晶体，以衍射同步加速器 X 射线束。由此产生的图案揭示了分子的结构。
不幸的是，X 射线会迅速损坏它们探测的分子。为了弥补这一点，研究人员必须制备大型晶体，但许多感兴趣的分子，包括膜蛋白，都非常难以结晶。同步加速器技术也很慢，因此无法观察飞秒化学时间尺度上发生的瞬态现象。
乍一看，LCLS 似乎是这项工作的完全错误的工具。由于它的强度比同步加速器光源强数十亿倍，因此蛋白质或非晶体系统等脆弱材料甚至无法在爆炸并变成非常热的等离子体汤之前幸存一个 X 射线脉冲。
具有讽刺意味的是，这种破坏性的强度正是我们所需要的。由于脉冲非常短而明亮，它可以比分子能够爆炸的速度更快地捕获图像。因此，尽管激光会摧毁样本，但它会在分子消亡之前捕获分子的清晰图像。
这种称为“破坏前衍射”的概念已经开始取得成果。科学家们已经使用飞秒晶体学记录了纳米晶体、蛋白质和病毒的衍射图案。最近的工作已经绘制出了与昏睡病相关的蛋白质结构，昏睡病是由原生动物寄生虫引起的致命疾病。
既然 LCLS 已经率先使用了这项技术，其他自由电子 X 射线激光器也正在研发中。在日本，SACLA 激光设施于 2011 年开放。在欧洲，一个大型 X 射线激光器正在德国汉堡附近建造，计划于 2017 年完工。在美国，SLAC 正在建造 LCLS II。这种升级将以高重复率提供软 X 射线，这将使我们能够进行新型实验。
新一代机器的设计目的是创造更稳定、更好控制和更强的激光束。一个特别重要的目标是使 X 射线脉冲更短。通过使用短至 0.1 飞秒（100 阿秒，或千兆分之一秒）的脉冲，我们可能会开始观察到的不仅仅是原子的运动，还有原子和分子内的电子运动。新设备甚至可能使我们能够控制这种运动。制作显示化学键如何断裂以及新键如何形成的电影的梦想触手可及。