美科學家利用最強X光將電子從原子上逐個剝離

SLAC國家加速器實驗室

電子被剝離的示意圖（斯坦福直線加速器中心供圖）

　　沒了電子的原子想必相當的孤寂。據北京時間7月2日出版的英國《自然》雜志所刊發報告稱，位于美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室內、迄今世界最強大的X射線激光器——直線加速器相干光源（LCLS）于6月30日發表了它自啟動以來的第一項實驗成果：其強大而獨特的能力，達到了可操縱原子樣本上單個電子的水平，從內到外逐個將電子剝離，形成了所謂的“空心原子”。

　　由于體現出了X射線令人驚訝的強度與操控度，該結果讓科學界人士大為贊賞；甚至包括研究人員自己在內，直到實驗成功才真正相信，X射線已可達到如此精準之地步。

　　SLAC國家加速器實驗室隸屬美國能源部，40余年來執著于對自然界基本規律的探索，以物理實驗手段揭示了許多自然界的秘密。

　　2009年4月，直線加速器相干光源（LCLS）在這里成功誕生。這個巨型激光器長130米，由實驗室3公里長的直線粒子加速器提供動力，每次啟動發光裝置研究人員需花2小時。該設備制成耗時3年，而從計劃提出到完成開工準備歷時幾乎10年。

　　誕生伊始，研究員第一次使用大功率X射線激光器發出直線連續光，此X射線已經比其他任何人造光源發出的脈沖亮度都要高，測試光的波長為0.15納米（nm），是當時人類創造的最短波長同時具有最大能量的光。

　　此后一年時間來LCLS并未發表科研成果，但卻一直被視為激光領域“質的飛躍”或“里程碑式的杰作”。因為其完全不同于所有以前的激光器：這是國際上最早提出的第四代光源之一，亦是世界上第一個發射硬X射線的自由電子激光器。所謂硬X射線，通常定義為能量較高、波長極短的X射線。

　　從原理上來看，LCLS首度結合了原子尺度空間和時間分辨率，以相干量子波的形式輸出X射線，是研究人員從以往傳統激光器發展出來的新型光源；從效果上來講，LCLS亮度能比以往光源高10億倍，產生脈沖短暫到百萬分之二納秒，為滿足各種應用需求，LCLS的輸出可以在原子、分子和光學領域的不同設備之間進行切換。科學家們預想，經過微調之后的LCLS的脈沖可幫助排列出眾多材料的內部原子結構。

　　原子殼層結構是關于原子內電子排布的一種簡化模型，通常原子內帶正電的密實部分集中于一個很小的核，帶負電的電子分布于核外。而內殼層空原子（亦可直稱空原子），指電子完全被剝離的原子。

　　數十年來，科學家們一直想利用X射線來探測材料的原子尺度的結構，亦或將某種原子剔除內層電子看看“人走城空”的原子如何反應。LCLS無疑提供了這個機會。

　　現在的LCLS輸出波長在0.15納米至1.5納米之間可調諧，輸出脈沖寬度可達80飛秒（fs），每個脈沖包含10萬億個X射線光子，作為在LCLS上完成的第一批實驗結果，“空心原子”產生了。

　　研究人員選取的實驗對象是自由氖原子。在一個X射線脈沖期間，這些原子依次彈射出它們全部的10個電子，產生電子完全被剝離的氖原子，即對X射線來說是透明的、“空城”狀態的原子。

　　LCLS的脈沖短暫到足以拍攝到化學反應過程中的一系列“定格”快照，亦可以對電子從原子中脫離的過程進行成像，用于觀察化學反應和沖擊波，以確立物質最基本的互動機制。

　　以往從未有過如此強烈的X射線，亦無法判斷它與其他物質會產生怎樣的互動。美國能源部科學辦公室主任威廉·布林克曼表示，直到近期還很少有人相信自由電子激光器能達到如此精確的地步，這讓實驗結果顯得更不同尋常。

　　LCLS項目主任約阿希姆·斯托爾的回溯讓人印象深刻，他說：“10年前，我們第一次構想LCLS實驗時，曾想過這個激光器或許能強大到足以創造出空心原子，但這在當時只是一個夢。現夢已成真。”

　　盡管“光桿司令”狀的原子頗為可憐，但以此次成果為基礎，科學家將開展一種全新方法來探索原子結構和原子動力學，下一步的實驗對象包括原子團簇、納米晶體蛋白甚至某些病毒，預計未來幾個月內就可公布結果。