如何拍下萬億分之一秒內(nèi)的原子“電影”？超級(jí)X光給出答案

在我們看不見的微觀世界里，每分每秒都在上演著宇宙最驚心動(dòng)魄的“動(dòng)作大片”。分子是身懷絕技的特工，它們精準(zhǔn)變形、結(jié)合與分離；原子是舞步飛旋的舞者，在萬億分之一秒內(nèi)完成著生命的協(xié)奏；正在光合作用的植物葉片中的分子拆解水分子釋放氧氣；入侵細(xì)胞時(shí)，病毒的蛋白質(zhì)外殼又突然變形“開鎖”……

如何把這些在分子世界上演的精彩紛呈的片段記錄下來？揭示其中的奧秘呢？

圖1: XFEL拍攝概念圖

（圖片來源：作者由AI生成）

要想看清楚這些飛秒（一千萬億分之一秒）內(nèi)原子級(jí)的動(dòng)態(tài)過程，就要借助一款“超級(jí)攝像機(jī)”——X射線自由電子激光（XFEL）。正是借助它，科學(xué)家們得以拍攝微觀世界奇妙的“分子電影”。

傳統(tǒng)方法存在什么困境？

想拍攝一張清晰的照片，離不開高分辨率與合適的快門時(shí)間。給原子“拍電影”，捕捉它們?cè)诨瘜W(xué)反應(yīng)中的瞬間動(dòng)態(tài)更是如此。

但對(duì)于傳統(tǒng)方法而言，有重重困難橫于眼前。想看清楚原子，分辨率需要達(dá)到0.1納米，需選用波長(zhǎng)極短的X光。為此，科學(xué)家們研究出同步輻射的方法來產(chǎn)生高亮度X光。雖然分辨率達(dá)到要求了，但其X光脈沖為皮秒級(jí)（一萬億分之一秒），也就是說其快門時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所要拍攝畫面的發(fā)生時(shí)間，畫面會(huì)模糊不清。

不僅如此，由于X光高能量的特性，長(zhǎng)時(shí)間輻射會(huì)損壞生物樣品。而傳統(tǒng)成像需要長(zhǎng)時(shí)間累積足夠的光子才能形成清晰圖像，因此在利用X光看清結(jié)構(gòu)之前，生物樣品已經(jīng)被損壞了。也就是說，想“看見”就要用X光照射，但在照射完成之前，作為“被拍攝者”的樣品已經(jīng)被摧毀了。這聽起來像是一個(gè)無解的問題，但科學(xué)家們還是找到了解決方案。

革命性的解決方案——XFEL

X射線自由電子激光（XFEL）因其能產(chǎn)生超亮、超短脈沖的X射線成為突破口，使科學(xué)家們能夠“拍攝”到清晰的原子動(dòng)態(tài)瞬間。那自由電子激光是什么呢？

自由電子激光是利用接近光速的高能電子束，通過周期性磁場(chǎng)（波蕩器）迫使電子振蕩并輻射光波，在自放大自發(fā)輻射等機(jī)制下，光波與電子束相互作用，被相干放大，最終形成的高強(qiáng)度、高相干性的激光。X射線自由電子激光（XFEL）裝置的核心是利用巨大的粒子加速器隧道產(chǎn)生X射線激光的過程。

首先，在直線加速器中將一束電子束加速至接近光速。

隨后，高速電子束進(jìn)入波蕩器（由N、S極交替排列的磁鐵組成）中，在磁場(chǎng)的作用下，電子被迫進(jìn)行快速的橫向振蕩。電子在振蕩的過程中輻射X射線，這些輻射出的X射線又會(huì)進(jìn)一步地與前方電子相互作用，迫使其同步振蕩產(chǎn)生共振，輻射被強(qiáng)烈地同步放大，即自放大自發(fā)輻射。

最終，產(chǎn)生出具有超高亮度、超短脈沖（飛秒甚至阿秒級(jí)）、優(yōu)異相干性的X射線激光束——XFEL。

圖2:自由電子激光基本構(gòu)成

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

由于XFEL脈沖在飛秒甚至阿秒量級(jí)，樣品在被X光徹底摧毀之前，就已被成像或探測(cè)，這有效規(guī)避了傳統(tǒng)方法的輻射損傷難題。而且XFEL同時(shí)具有高分辨率，即原子尺度0.1 納米，又有合適的快門時(shí)間，即與反應(yīng)時(shí)間相近甚至更短的飛秒甚至阿秒量級(jí)。這都使得XFEL成為拍攝原子動(dòng)態(tài)瞬間的理想“攝像機(jī)”。

那科學(xué)家們又是如何拍攝的呢？這就不得不提到一個(gè)重要技術(shù)——泵浦-探測(cè)。

泵浦-探測(cè)的過程就如同導(dǎo)演拍電影一樣。泵浦，即“action”，發(fā)射信號(hào)使反應(yīng)開始。采用一束超短激光脈沖（例如紅外光或可見光）激發(fā)樣品啟動(dòng)反應(yīng)。探測(cè)，即拍攝，拍攝不同時(shí)刻的場(chǎng)景用于串聯(lián)成電影。在飛秒精度的延時(shí)后，發(fā)射一束XFEL脈沖通過成像、衍射或光譜分析探測(cè)樣品狀態(tài)。改變延時(shí)并重復(fù)實(shí)驗(yàn)，就可以串聯(lián)成一部原子的“電影”。

現(xiàn)已拍成的“電影”

• 光合作用中氧氣的釋放

植物是具體如何”拆解”水分子、制造氧氣的？這一光合作用的核心謎題，如今被X射線自由電子激光（XFEL）揭開神秘面紗。科學(xué)家們利用XFEL首次捕捉到光系統(tǒng)II（PSII）中水分子逐步”裂變”生成氧氣的全過程，獲得了從水到氧氣的關(guān)鍵中間態(tài)結(jié)構(gòu)快照。這代表著維持地球上現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要化學(xué)反應(yīng)——光合作用的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)首次展現(xiàn)于我們眼前。為進(jìn)一步的人工光合作用，清潔能源制造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

• 病毒入侵細(xì)胞

高中的生物課上，我們了解到病毒通過表面蛋白變形入侵宿主細(xì)胞。但其蛋白構(gòu)象動(dòng)態(tài)變化的具體過程仍為一團(tuán)迷霧。科學(xué)家們用激光模擬宿主細(xì)胞環(huán)境（如酸性pH值）觸發(fā)病毒蛋白，再用XFEL在飛秒尺度上抓拍其構(gòu)象變化的瞬間。成功解密了病毒是如何入侵細(xì)胞的，為后續(xù)阻斷融合過程的靶向藥物的研究提供思路。

中國(guó)力量：上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）

給原子拍“電影”怎么能少得了中國(guó)？位于上海張江的SHINE（Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility）是全球僅有的幾臺(tái)在建的硬X射線自由電子激光裝置之一。它的核心是一臺(tái)8 GeV（80億電子伏特）的連續(xù)波超導(dǎo)直線加速器，總長(zhǎng)3.1 km，每秒可產(chǎn)生高達(dá)100萬次脈沖。將產(chǎn)生0.2 GeV–15 GeV全覆蓋（覆蓋軟X射線到硬X射線）的 X 射線自由電子激光（XFEL），其峰值亮度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)同步輻射光源。

根據(jù)2025 年SHINE工程進(jìn)展報(bào)告，截至2025 年7 月全部土建及公用工程交付。關(guān)于核心裝置，注入器已完成安裝與束流調(diào)試，成功實(shí)現(xiàn)100 MeV能量輸出，束流性能達(dá)標(biāo)（發(fā)射度低于0.57 mm mrad）；超導(dǎo)直線加速器部分，已組裝并水平測(cè)試16套1.3 GHz與2 套3.9 GHz低溫模組（CM）；CM01–CM14全面達(dá)標(biāo)，CM15–CM20 正在總裝；波蕩器部分，硬X射線線（FEL-I）26 mm周期的平面波蕩器（U26），已生產(chǎn)30套，4套已入隧道安裝，軟X射線線（FEL-II）包括55 mm周期波蕩器（U55）和雙周期U55/75，15套U55完成集成，5套開始安裝。關(guān)鍵設(shè)備逐步國(guó)產(chǎn)化，多種核心部件實(shí)現(xiàn)自主研制，批量生產(chǎn)中。

SHINE配備4 套大型低溫系統(tǒng)（含3臺(tái)4kW@2K制冷機(jī)），為超導(dǎo)腔提供近絕對(duì)零度環(huán)境。首臺(tái)制冷機(jī)已支持注入器運(yùn)行，第二臺(tái)通過測(cè)試，第三臺(tái)進(jìn)入試運(yùn)行。采用歐洲核子中心（CERN）開發(fā)的“白兔”時(shí)間同步技術(shù)，精度達(dá)飛秒級(jí)（1秒的千萬億分之一）。注入器時(shí)序系統(tǒng)已完成調(diào)試，主加速器部分正在安裝。

預(yù)計(jì)2026年SHINE實(shí)現(xiàn)軟X射線（FEL-II）首次出光，2027年實(shí)現(xiàn)硬X射線（FEL-I）出光并整體驗(yàn)收。

“SHINE面臨低溫模塊量產(chǎn)合格率、工期緊張等挑戰(zhàn)，”項(xiàng)目報(bào)告坦言，“但團(tuán)隊(duì)正全力沖刺2026年首束光目標(biāo)。當(dāng)這臺(tái)亞洲最亮的X射線光源亮起時(shí)，我們將擁有窺見自然最深?yuàn)W秘的眼睛。”

圖 3: SHINE的布局和主要參數(shù)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]）

上海光源SHINE作為探索物質(zhì)動(dòng)態(tài)的國(guó)之重器，不僅是中國(guó)走在科學(xué)前沿的重要一步，還為原子尺度拍攝“分子電影”提供了終極工具。

未來，隨著SHINE等裝置點(diǎn)亮更短脈寬、更高亮度的相干光，我們或?qū)⒔忾_更多微觀世界的神秘面紗。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙振堂and 馮超. X射線自由電子激光. 物理, 47(3):153–160, 2018.

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

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[6] 劉波. SHINE工程進(jìn)展. 2025年超級(jí)陶瓷裝置研討會(huì), 07 2025.

[7] 趙璇and 張文凱. X射線自由電子激光：原理、現(xiàn)狀及應(yīng)用. 現(xiàn)代物理知識(shí), 31(2):14–21, 2019.

出品：科普中國(guó)

作者：李伊（北京師范大學(xué)物理與天文學(xué)院）

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