揭秘“大连光源”:人类探测微观世界的利器

1月15日,辽宁省大连市,中国科学院研制的“大连光源”发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲。视觉中国供图

冬日的辽东半岛,海风凛冽刺骨。位于大连这座滨海城市西侧的长兴岛,因四面环海,人口稀少,更显得肃杀、冷清。但就在这里,一项新的世界纪录刚刚诞生。

1月15日,我国最新一代光源“极紫外自由电子激光装置”,即“大连光源”,发出了世界最强的极紫外自由电子激光脉冲,单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子,成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。

中国科学院副院长王恩哥评价这一成果时说,这是该院乃至我国又一项具有极高显示度的重大科技成果。“大连光源”中90%的仪器设备由我国自主研发,标志着我国在这一领域占据了世界领先地位。

更值得一提的是,该装置由中科院大连化学物理研究所和中科院上海应用物理研究所联合研制,开创了我国科学研究专家与大科学装置研制专家成功合作的先例。

近日,中国青年报·中青在线记者走进“大连光源”,采访有关专家进行揭秘。

看不见的“光”:人类探测微观世界的利器

在大连长兴岛,“大连光源”躺在一个长达100多米的隧道里。在这里,最常见的就是各种灯光闪烁的实验仪器,以及各类如同爬山虎般顺着架子连接着仪器的线缆,当然,还有各种看不见的“光”。

现实中,人们接触最多的“光”,怕是手机屏幕、电脑电视屏幕发出的光,还有白炽灯、霓虹灯的光,白天的太阳光,夜里的月光,以及大自然中水母、萤火虫发出的光,等等。

那么,光的本质究竟是什么?

电磁波。

——近代物理已经证明了这一点,并且发现光这种“电磁波”,还是人类认识和感知物质世界,探测原子和分子等微观世界的最重要工具。

比如,对于声音和图像,人类可以通过麦克风和摄像头转换成“电”信号,然后进行处理和传输。同样地,对于物质世界中的原子和分子,如果要“看到”它们,也只需要将其转换成易于识别和处理的“电”信号。

一个最直接的方法,就是将原子或分子中的电子“打”出来,让原子、分子变成带有正电荷的离子,带正电的离子击打在探测器上,就会形成“电”信号。

如此,科学家就可以灵敏地探测即“看到”微观世界。

这其中的关键点,即将原子或分子中的电子“打”出来。不过,并非所有的“光”都能实现这一点。“极紫外光”是其中一种。

根据中科院大连化物所研究员戴东旭的说法,光(电磁波)本身带有能量,其波长越短,能量就越高。也因此,它分为可见光和不可见光,后者包括紫外光、红外光、X光,即人们通常所说的紫外线、红外线、X射线。

可见光的能量算是小的。其波长大致处于400~700纳米之间,可以刺激人的视觉细胞产生信号。

波长小于可见光的紫外光,因为能量高,会对人体产生危害,比如320~400纳米和270~320纳米之间的紫外光。

不过,当波长短到100纳米附近时,光所具备的能量,足以电离一个原子或分子而又不会把分子打碎,这个波段的光,被科学家称为“极紫外光”。

“大连光源”就是要造出这种“光”。一旦造出,就是人类探测微观世界的一把利器。

最新一代光源是“拍电影”,上一代是“拍照片”

“大连光源”总负责人、中科院大连化物所副所长杨学明院士讲了一个故事:19世纪末有人问,马在奔跑时,究竟有没有四蹄同时离地的瞬间?一时间众说纷纭,因为仅靠人眼观察,实在无法判断。

直到有人设计出一套连续拍照的装置,将马连续奔跑的过程“分解”为一帧帧照片,才得出了结论。

杨学明说,要研究物质是如何变化、运动的,最好的方式就是将过程“记录”下来,能够让人们清楚地“看到”。如今,随着人类对自然界的认识不断深入,科学家已经知道,与人类生活息息相关的很多物理和化学过程,在本质上都是原子和分子过程。

而要控制或利用这些物理和化学过程,在杨学明看来,就需要在实验室里,研究这些过程所涉及的原子和分子的反应机制,因此,就需要精确并且高灵敏度地“探测”所涉及的原子和分子。

事实上,为了“看到”微观世界,人类制造出了各种各样的工具,这类工具统称为“光源”,其中一类在科学上广泛使用的光源,利用了粒子加速器获得高能粒子,高能粒子在磁铁阵列中震荡产生的高亮度的光被称为同步辐射光。

物理学家斯蒂芬·霍金曾经说过,粒子加速器,是人类拥有的最接近时间机器的设备。而人类所能达到的最高温度记录,也是在粒子加速器中创造的。

从上世纪40年代,美国在加州大学伯克利分校发展了第一代高能电子束同步加速器之后,高亮度的同步辐射光源,已经成为当代科学研究最为重要的实验工具之一。

世界各国先后建立了几十台第三代光源,我国也有北京正负电子对撞机、合肥光源、广东散裂中子源、兰州重离子装置、上海光源等。其中合肥光源和上海光源属于第三代光源。

如今建成的“大连光源”,则是第四代,也是最新一代的光源,即自由电子激光装置。中科院上海应用物理研究所所长赵振堂研究员说,这是当今世界上唯一运行在极紫外波段的自由电子激光装置,也是世界上最亮的极紫外光源。

那么,第三代同步辐射光源和第四代自由电子激光装置究竟有何区别?

赵振堂打了一个比方,上一代是“拍照片”的,而最新一代光源是“拍电影”的,进一步说,即第三代光源只能“看到”微观世界物质的结构,而第四代光源则能记录下微观世界物质的动态过程。

杨学明以雾霾为例,从现有的研究来看,霾是一个从分子结构聚集起来的团簇,包括水、污染物等,那么在研究雾霾时,不仅要知道它是什么结构,即由什么组成,还要搞清楚这些组成部分,是如何聚集在一起的,这就需要科学家不仅要看到静态的结构,还要看到动态的过程。

比如,在空气潮湿的时候,空气中霾的成分通常会有一个明显的增长,为什么会这样,这就需要对其发展过程进行研究。也因此,杨学明将“大连光源”这个第四代光源,称为观察原子、分子反应过程的摄像机,在原子、分子层次上探索物质世界的奥秘。

科学研究专家与大科学装置研制专家首次携手

第四代光源还有一个特点:足够亮。

赵振堂给出一组对比:比起一般家用的白炽灯,太阳的亮度是其1万倍;比起太阳,第三代光源则要亮100亿倍;那么,比起第三代光源,第四代光源还要再亮100亿倍。

这里的亮度,是一个科学的概念,也称为峰值亮度,定义是单位时间内、单位立体角内、单位面积上、单位波长范围内所发射的光子数量。

在这般光源的照射下,几乎所有的原子和分子都“无处遁形”。戴东旭说,如今建成的“大连光源”,就是当今世界上在极紫外波段最强的自由电子激光,因此是研究与原子分子过程相关的物理和化学科学问题的强有力的利器。

事实上,在越来越强调协同创新,而非“单打独斗”的大科学时代,像“大连光源”这样的大科学工程,越来越为科学界所重视。

如今,“大连光源”的建成出光,在王恩哥看来,也将大大促进我国在能源、化学、物理、生物、材料、大气雾霾、光刻等多个重要领域研究水平的提升,为我国的科技事业注入新的活力。

杨学明也告诉记者,新的仪器发展,是学术研究发展最为重要的基础,没有新的科学仪器,在物理化学领域可以说是寸步难行。他还记得,当初之所以提出建设“大连光源”,正是因为科研工作多年受困于反应中间体的探测难题。

当时,他找到赵振堂,双方一拍即合:这是我国打造新一代光源的绝佳契机。更为重要的是,双方都意识到,这一项目将是科学研究专家与大科学装置研制专家的首次携手,而这,对于未来加快推动大科学装置在科学研究中的应用,具有重要的现实意义。

很快,“大连光源”得到国家自然科学基金委国家重大仪器专项的资助,于2012年年初正式启动,2014年10月正式在大连长兴岛开工建设。

仅两年时间,就完成了基建工程以及主体光源装置研制。

去年9月24日22时50分,超过300兆伏的电子束流,依次通过自由电子激光放大器的各个元件。终于,总长18米的波荡器阵列,发出了第一束极紫外光。

如今,经过调试后的“大连光源”,早已能发出更为强大的光束。但科学家并不会止步于此,中科院大连化物所研究员张未卿透露,国内未来很有可能进军X射线波段的第四代光源。

来源:news.sciencenet.cn

标签:大连 人类

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