中國有了最先進(jìn)的“原子分子攝像機(jī)”
在解釋“大連光源”是什么之前，先講一個科學(xué)史上的小故事。
19世紀(jì)末，有人提出了一個有趣的問題：馬在奔跑時有沒有四蹄同時離地的瞬間？一時間，大家莫衷一是——因為僅靠人眼觀察，實在無法判斷。直到有人設(shè)計出一套連續(xù)拍照的裝置，將馬連續(xù)奔跑的過程“分解”為一幀幀照片，才得出了結(jié)論。
中國有了最先進(jìn)的“原子分子攝像機(jī)”
“大連光源”局部。中科院大連化物所提供
要研究物質(zhì)是如何變化、運(yùn)動的，最好的方式就是將過程“記錄”下來，能夠讓人們清楚地“看到”。今天，人類對客觀世界的研究已經(jīng)深入到分子、原子層次，在這個微觀層面，需要探測的原子或分子數(shù)量可能非常少、存在時間也非常短，變化往往就發(fā)生在飛秒（10-15秒）、皮秒（10-12秒）之間。因此，要想知道物質(zhì)在這個微觀層面是如何變化的，就需要更先進(jìn)的“攝影機(jī)”。
中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡稱“大化所”）和中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所（以下簡稱“上海應(yīng)物所”）的科學(xué)家們研發(fā)了“原子分子攝像機(jī)”——極紫外自由電子激光裝置。
1月15日，極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”，發(fā)出了世界上最強(qiáng)的極紫外自由電子激光脈沖，單個皮秒（10-12秒）激光脈沖產(chǎn)生140萬億個光子（1.4×1014光子/脈沖），這是世界上最亮的、波長完全可調(diào)的，也是唯一運(yùn)行的極紫外自由電子激光裝置。
據(jù)悉，“大連光源”是由國家自然科學(xué)基金委員會支持，大化所上海應(yīng)物所聯(lián)合研制的。中國科學(xué)院副院長王恩哥院士表示，“大連光源”為我國乃至世界提供了一個獨特的科學(xué)研究裝置，同時也為我國未來發(fā)展更高能量的X射線波段自由電子激光打下了堅實基礎(chǔ)。
大化所副所長楊學(xué)明院士介紹，自由電子激光是國際上最先進(jìn)的新一代先進(jìn)光源，是當(dāng)今世界先進(jìn)國家競相發(fā)展的重要方向，在科學(xué)研究、先進(jìn)技術(shù)、國防科技發(fā)展中有著重要的應(yīng)用前景。而極紫外波段是在分子、原子層次，研究物質(zhì)的物理、化學(xué)變化的重要手段之一，有著其他研究方式不可比擬的優(yōu)勢。
此前極紫外波段的自由電子激光裝置，多為研究自由電子激光本身，還沒有被用于其他科學(xué)領(lǐng)域。上海應(yīng)物所所長趙振堂說，“大連光源”是世界第一臺運(yùn)行在極紫外波段的大型自由電子激光科學(xué)研究用戶裝置，環(huán)境、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家能夠利用這臺“儀器化的裝置”揭示分子動力學(xué)過程，進(jìn)一步解釋自然奧秘。
大化所研究員張未卿也表示，極紫外光是研究化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)最好的手段之一?！皹O紫外光具有能夠電離幾乎所有的組成普通物質(zhì)的原子和分子的特性，因此能夠極其靈敏地探測化學(xué)反應(yīng)過程中存在時間很短、非常稀少的，但是卻非常重要的中間體物種。在這樣的極紫外光下，幾乎所有的原子和分子都無所遁形，因此是研究與原子分子過程相關(guān)的物理和化學(xué)問題的強(qiáng)有力的工具之一?！?/span>
趙振堂總結(jié)說，與“合肥光源”“上海光源”等同步輻射光源相比，“大連光源”的光子能量并不是最高的，但對研究分子、原子化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)來說卻是最合適的——“大連光源”有最亮的“閃光燈”，其峰值功率的亮度比太陽光高百億倍；“大連光源”有最快的“快門”，出光長度能達(dá)到飛秒、皮秒。趙振堂說：“如果說第三代同步輻射光源能給分子原子‘拍照片’，那“大連光源”就是一部‘?dāng)z像機(jī)’，能給分子原子‘拍電影’，將其物理化學(xué)反應(yīng)的全過程動態(tài)記錄下來?！?/span>
正如大化所副所長楊學(xué)明所說：“‘大連光源’的建成只是第一步。之后的關(guān)鍵在于‘用’，要建成高水平、穩(wěn)定的應(yīng)用平臺。”
這臺分子原子的“攝像機(jī)”在化學(xué)、能源、物理、生物、環(huán)境等研究領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，作為世界上唯一運(yùn)行的極紫外波段的自由電子激光裝置，“大連光源”對于推動我國乃至世界在相關(guān)領(lǐng)域的研究有著極其重要的作用。
燃燒的過程究竟是什么樣的——這對能源的開發(fā)和利用至關(guān)重要；能否在更小尺寸實現(xiàn)半導(dǎo)體光刻作用——這是信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)；氣溶膠是如何成核的——這能夠讓我們從根本上理解大氣霧霾的形成和生長機(jī)理。
楊學(xué)明表示，目前“大連光源”正在調(diào)試過程中，預(yù)計2017年春節(jié)后就可以進(jìn)行科學(xué)實驗，“如果一切順利，項目將在2017年年底進(jìn)行驗收”。
來源:光明日報
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