來源:光明日?qǐng)?bào)

“大連光源”局部。中科院大連化物所提供
19世紀(jì)末,有人提出了一個(gè)有趣的問題:馬在奔跑時(shí)有沒有四蹄同時(shí)離地的瞬間?一時(shí)間,大家莫衷一是——因?yàn)閮H靠人眼觀察,實(shí)在無法判斷。直到有人設(shè)計(jì)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。
要研究物質(zhì)是如何變化、運(yùn)動(dòng)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(duì)客觀世界的研究已經(jīng)深入到分子、原子層次,在這個(gè)微觀層面,需要探測(cè)的原子或分子數(shù)量可能非常少、存在時(shí)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(gè)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(jiǎn)稱“大化所”)和中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所(以下簡(jiǎn)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(gè)皮秒(10-12秒)激光脈沖產(chǎn)生140萬億個(gè)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(huì)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(gè)獨(dú)特的科學(xué)研究裝置,同時(shí)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(jiān)實(shí)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(jìng)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(shì)。
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(tái)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(tái)“儀器化的裝置”揭示分子動(dòng)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(dòng)力學(xué)最好的手段之一。“極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(cè)化學(xué)反應(yīng)過程中存在時(shí)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?!?/p>
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(duì)研究分子、原子化學(xué)反應(yīng)動(dòng)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(dòng)態(tài)記錄下來。”
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(tái)。”
這臺(tái)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(duì)于推動(dòng)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(duì)能源的開發(fā)和利用至關(guān)重要;能否在更小尺寸實(shí)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(jì)2017年春節(jié)后就可以進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn),“如果一切順利,項(xiàng)目將在2017年年底進(jìn)行驗(yàn)收”。
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