放置在世界上最强大的 X 射线激光焦点处的原子、分子或尘埃微粒毫无机会。被照射的物质在不到万亿分之一秒的时间内达到超过一百万开尔文的温度，与日冕一样热。例如，暴露于如此极端辐射的氖原子迅速失去其所有 10 个电子，一旦它们失去了保护性的电子外壳，它们就会从相邻原子中爆炸开来。对于物理学家来说，破坏的轨迹具有一种奇特的魅力。
令人震惊的过程在于，激光从内向外煮沸原子的电子。电子像洋葱轨道壳一样环绕原子核，并非都对 X 射线束做出均匀反应。外壳几乎对 X 射线透明，因此内壳承受了大部分辐射，就像微波炉中的咖啡在其杯子被加热之前很久就被加热一样。该壳中的两个电子射出，在其身后留下空白空间；原子是空心的。在几个飞秒（千万亿分之一秒）内，其他电子被吸入以取代丢失的电子，并且核孔形成和空位填充的循环持续进行，直到没有电子留下。此过程发生在分子以及固体物质中。
由此产生的奇异物质状态仅持续几个飞秒。在固体中，它衰变为电离状态——等离子体——称为温稠密物质，通常仅在核聚变反应和巨行星核心等极端环境中发现。X 射线激光束焦点处短暂但极端的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。它被称为 SLAC 国家加速器实验室的直线加速器相干光源 (LCLS)，让人想起 1980 年代“星球大战”导弹防御系统，该系统的倡导者提议使用 X 射线激光击落弹道导弹和卫星，尽管这种真实世界的 X 射线激光更多地归功于大约在同一时间开发出的伟大的原子粉碎机。该装置重新利用了美国首屈一指的原子粉碎机之一，即由斯坦福大学为美国能源部运营的 SLAC 线性加速器。这台机器创造了许多发现和诺贝尔奖，使美国在基本粒子物理学领域保持了几十年的领先地位。自 2009 年 10 月重新启用为 LCLS X 射线激光以来，它对于原子和等离子体物理学、化学、凝聚态物理学和生物学的重要性，就如同日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机对于基本粒子物理学的重要性一样：一种以巨大的能量粉碎自然界的组成部分、创造空心原子等新物质形态的方式，或者仅仅像强大的高速显微镜一样放大量子领域。LCLS 的 X 射线脉冲可以非常短（几飞秒），以至于它们可以冻结原子的运动，使物理学家能够观察正在进行的化学反应。这些脉冲也非常明亮，使我们能够对蛋白质和其他生物分子进行成像，而使用其他 X 射线源很难研究这些分子。
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。在其中环行的电子会发出 X 射线，这些射线进入排列在机器圆周周围的仪器，就像风车辐条一样。我们中的一位（Berrah）一生都在使用同步加速器 X 射线来研究原子、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的，因此原子在 X 射线束中会投下阴影。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血红蛋白等大分子中的位置。（铁是血液呈红色的原因。）
然而，同步加速器 X 射线无法做到的事情是追踪分子或固体内部的原子运动。我们看到的只是一片模糊的景象；脉冲不够短或不够亮。只有当分子排列在晶体中时，同步加速器源才能对分子进行成像，在晶体中，局部力将数百万个分子精确地排列成行，就像立正的相同士兵一样。
激光器本身则更亮，因为它们产生相干光：激光中的电磁场不像波涛汹涌的海面那样波涛汹涌，而是以受控的规律性平稳振荡。相干性意味着激光可以将巨大的能量集中到一个微小的点上，并且可以在短短一飞秒内打开和关闭。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。
然而，传统的激光器在可见光和近可见光波长下工作，比解析单个原子所需的波长长 1000 多倍。正如天气雷达可以看到暴雨但无法分辨雨滴一样，传统激光器可以看到原子集合如何运动，但无法分辨这些原子。为了投射清晰的阴影，光的波长必须至少与被观察物体一样小。为此，我们需要 X 射线激光器。
简而言之，X 射线激光器克服了现有工具在最小尺度上对物质成像造成的缺点。然而，制造这样的设备并非易事。
死亡射线
曾经，考虑到制造任何激光器都具有挑战性，建造 X 射线激光器的想法似乎很古怪。标准激光器之所以工作，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，以光子或光粒子的形式。通常，它们会自发释放能量，但在 20 世纪初，阿尔伯特·爱因斯坦发现了一种触发释放的方法，这个过程称为受激发射。如果您使原子吸收一定量的能量，并用具有相同能量的光子击中它，则原子可以释放最初吸收的能量——产生光子的克隆。两个光子（原始光子及其克隆）前进以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。
然而，即使条件合适，原子也并非总是克隆光子。给定原子在被另一个原子击中时会发射光子的概率相当小，并且原子更有可能在此之前自发释放能量。传统激光器通过泵入能量以激发原子，并使用镜子来回发送克隆光，招募新成员来克服这一限制。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，光通过在镜子之间来回反射被循环利用 200 次。
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的能量也是光学光子的 1000 倍。原子不会长时间保持能量。而且，X 射线反射镜很难获得。尽管这些障碍并非根本性的，但需要巨大的能量输入才能创造激光条件。
事实上，第一台 X 射线激光器的能量来自地下核弹试验。它是为旧金山以东劳伦斯·利弗莫尔国家实验室进行的代号为“Excalibur”的秘密项目而建造的。该项目仍处于保密状态，尽管有关该项目的大量信息已被公开。该装置是前总统罗纳德·里根 1980 年代“星球大战”战略防御计划的一部分，旨在充当死亡射线，击落导弹和卫星。
在同一个十年中，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，其能量由旨在测试核武器特性的强大光学激光器提供。然而，这些并非实用的研究仪器，而且 X 射线激光器是否会被常规用于科学应用的可能性似乎很渺茫。
没有懈怠 SLAC
最终使研究人员能够开发用于民用目的的 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 1960 年代，斯坦福大学建造了世界上最长的电子加速器，这是一座三公里长的建筑物，从太空看，它像一根从山脉指向大学校园中心的针。SLAC 直线加速器（机器的名称）将密集的电子束加速到非常接近光速的速度（每秒一厘米以内）。该机器为粒子物理学中的实验发现赢得了三项诺贝尔奖。
然而，它确实达到了其使用寿命的终点，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 的母机构——能源部科学办公室——决定将这台老化机器的一部分变成 X 射线激光器。SLAC 为加速器配备了与现代同步加速器中用于产生 X 射线的设备相同的设备：波荡器。
波荡器由一系列产生交变磁场的磁铁组成。在波荡器中移动的电子会摆动并发出 X 射线。在作为闭环的同步加速器中，一旦电子离开波荡器，它们的路径就会弯曲成弧形。这样，粒子就会避开 X 射线，X 射线被引导到实验站。电子继续绕着跑道运行，每次通过波荡器时都会发射出一束 X 射线。
然而，SLAC 加速器是一条直线，波荡器异常长（130 米）。电子沿着与光子相同的路径以几乎相同的速度移动。结果是亚原子拆除德比。电子无法避开它们发出的 X 射线光子，因此光子一次又一次地侧向撞击它们。通过这样做，光子通过受激发射过程诱导电子发射克隆 X 射线光子。
不需要镜子来回反射穿过电子的光，因为它们一起传播。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 两者都拥有。如果一切都近乎完美地对齐，瞧，一束异常明亮的 X 射线束。在末端，电子被转移，光子进入实验站。该系统在技术上被称为自由电子激光器。
虽然 LCLS 不是“星球大战”的枪，但它仍然是一种强大的设备。其峰值聚焦强度为每平方厘米 10^18 瓦，比同步加速器光源强数十亿倍。激光可以切割钢铁。其振荡电磁场可以比分子中将原子彼此束缚在一起的场强 1000 倍。
问题的核心
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。现场工作人员科学家与由学生、博士后和资深科学家组成的大型访问团队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，其范围很广。为了让您了解可能实现的目标，我们在此重点关注我们特别感兴趣的两个科学问题：物质在极端条件下的行为方式以及可以从分子的超快成像中学到什么。这两个问题与原子、分子和光学物理学（我们的专业领域）中研究的基本过程密切相关。
当 LCLS 在分子和固体中创建空心原子时，它利用了原子外壳中的电子倾向于落入以取代内壳中丢失的电子的趋势。这种现象称为俄歇弛豫，需要几个飞秒。因此，如果我们向系统照射一个飞秒的 X 射线脉冲，则没有外电子有时间落入空心的内壳位置。在这些条件下，即使空心原子非常强烈，它们也会对任何额外的 X 射线光子透明。我们在 LCLS 中检测到这种空心透明性，不仅适用于原子，也适用于分子和更大的材料样品。
理论表明，在木星等巨行星内部，温度达到 20,000 开尔文——比太阳表面热四倍。氢和氦是行星的主要成分，据推测呈现出具有极端密度和结构的奇异固相。然而，人们对具体细节知之甚少。即使是材料的强度，即其在压力下的压缩，也很难测量，并且从基本原理上来说也不太容易理解。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 进行的一些最早的实验试图重现这些恶劣条件。激光的巨大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 射线如何协同作用于由多个原子组成的分子，以释放牢固地束缚在原子核上的电子，这一过程称为多光子吸收。高光子密度还可以从单个原子、分子或固体中剥离出多个电子，从而如前所述将它们掏空，这一过程称为顺序吸收。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分子中的所有键，包括水、甲烷和氨。在极端条件下对物质的测量有助于确定巨行星核心和陨石撞击期间的状态方程——控制密度、温度和压力的公式。
炸裂的蛋白质
第二条研究路线——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影片——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。缺点是 X 射线很容易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 似乎正是这份工作错误的工具。由于它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 X 射线的一个脉冲下幸存下来，它们会在爆炸并变成非常热的等离子体汤。具有讽刺意味的是，正是我们需要这种破坏性的强度。由于脉冲非常短而明亮，因此它可以比分子爆炸的速度更快地捕获图像。因此，尽管激光会摧毁样品，但它会在分子消亡之前捕获分子的清晰图像。
这种称为“先衍射后破坏”的概念已经开始取得成效。科学家们已经使用飞秒晶体学来记录纳米晶体、蛋白质和病毒的衍射图案[参见方框]。最近的工作已经绘制出参与昏睡病的蛋白质结构，昏睡病是由原生动物寄生虫引起的致命疾病。
[分隔符]
既然 LCLS 开创了这项技术，欧洲和亚洲的实验室也在计划或建造自己的自由电子 X 射线激光器。新一代机器将更加稳定，并能更好地控制光束。一个特别重要的目标是使 X 射线脉冲更短。使用短至 0.1 飞秒（100 阿秒，或千万亿分之一秒）的脉冲，我们可能开始观察到的运动不仅是原子的运动，还有原子和分子内部电子的运动。新设备甚至可以让我们控制这种运动。制作显示化学键断裂和新键形成的电影的梦想触手可及。