物理

終極X光機拍下飛秒瞬間

科學家利用前所未見、威力強大的X光機,創造出奇特物質狀態、捕捉蛋白質與病毒的高速影像,以及記錄飛秒內的物理與化學變化。

撰文/貝拉(Nora Berrah)、巴克斯包姆(Philip H. Bucksbaum)
翻譯/高涌泉

物理

終極X光機拍下飛秒瞬間

科學家利用前所未見、威力強大的X光機,創造出奇特物質狀態、捕捉蛋白質與病毒的高速影像,以及記錄飛秒內的物理與化學變化。

撰文/貝拉(Nora Berrah)、巴克斯包姆(Philip H. Bucksbaum)
翻譯/高涌泉

重點提要
■X射線雷射一向是科幻小說的主題,但第一座用於科學研究的X射線雷射四年前首次出現於史丹佛大學,它是美國能源部科學局的研究設施。這座設施稱為「直線型加速器同調光源」(LCLS),其能量來源是世界最長、位於史丹佛直線加速器中心(SLAC)國家實驗室的直線粒子加速器。
■用高強度X射線脈衝打擊原子、分子與固體,會產生地球上無法找到的奇特物質狀態。
■雷射能做為一種頻閃燈,可拍下瞬間的原子運動、捕捉蛋白質與病毒的高速影像,並且記錄發生於10-12秒內的物理與化學變化。

假若我們把一個原子、一個分子或者是一小粒灰塵放置在世界上威力最強大的X射線雷射的焦點上,這些粒子撐得住雷射的衝擊嗎?答案是絕對不可能!因為當X射線雷射照射到這些物體時,在10-12秒內,物體的溫度就會超過絕對溫度100萬K,和日冕一樣熱;以氖原子為例,在如此強的輻射之下,它會迅速喪失全部的(10個)電子,一旦沒有了電子的保護,氖原子馬上脫離鄰近的原子、彈射出來。對於物理學家而言,這整個破壞過程有著奇妙的魅力。

這種物體裂解過程令人驚訝之處在於,雷射是從物體內部把原子的電子蒸發掉。繞著原子核的電子,位於一層層類似洋蔥的軌域上,在X射線雷射照射下,其反應並非均勻的:對於X射線雷射來說,外層的電子近乎是透明的,首當其衝的反而是內層電子;就好像微波爐裡的咖啡會先熱起來,過一陣子,外面的咖啡杯才發熱。因此內層的兩個電子將先射出來、留下真空,此時原子變成中空的。在數飛秒(一飛秒為10-15秒)之內,外層電子被吸進去,取代跑掉的電子;然後內層電子再射出來,外層電子又掉進內層,這個過程反覆發生,直到所有的電子都跑光。這樣的過程會發生於分子,也會發生於固體。

最終的物質狀態於固體中會衰變成一種離子化的狀態,即一種稱為溫密物質(warm dense matter)的電漿。這種狀態是很奇特的,但是它只會存在數飛秒。一般只出現於極端的狀況下,例如核熔合反應以及巨行星的核心中。在地球上,無法找到這種短暫存在於一束X射線雷射焦點上的極端狀況。

X射線雷射揭露了上述奇特現象,但和這種現象相比,X射線雷射本身也毫不遜色,一樣令人讚歎。美國史丹佛直線加速器中心(SLAC)國家加速器實驗室內有一座稱為「直線型加速器同調光源」(LCLS)的設施,它會令人想起1980年代的星戰飛彈防衛計畫,因為這項計畫的倡導者曾經提議用X射線雷射射下人造衛星與飛彈。不過真實世界中的X射線雷射機的確得益於大約同時期所發展出的粒子加速器,這座雷射裝置讓美國主要的粒子加速器(美國能源部委託史丹佛大學執行的SLAC直線加速器)轉向嶄新的目標。物理學家曾利用SLAC直線加速器獲得許多重大發現以及諾貝爾獎,讓美國得以在基本粒子物理領域領先數十年。

2009年10月,SLAC直線加速器轉型為LCLSX射線雷射機而重新啟動,自那時以來,它在原子物理、電漿物理、化學、凝態物理與生物等領域所扮演的角色,就好像位於瑞士日內瓦附近歐洲核子研究組織(CERN)的大強子對撞機(LHC)對於基本粒子物理那般重要:它提供了一種以巨大能量把自然組成單元擊碎的方法,同時創造出新型態物質(例如中空的原子),或者單純做為威力強大的高速顯微鏡以深入探查量子世界。LCLS的X射線雷射脈衝可以短至數飛秒,在如此短的時間內,原子看起來是靜止不動的,這使得物理學家能夠觀察進行中的化學反應。這些脈衝也非常亮,讓科學家可以獲得蛋白質與其他生物分子的影像,這是其他X射線裝置非常難以做到的事。

原子的輪廓

X射線雷射機把當今實驗物理學家使用的兩種主要工具結合了起來:同步輻射光源以及超快雷射。同步輻射加速器是類似跑馬場的環狀粒子加速器,電子繞著加速器行進,放射出X射線,然後X射線進入類似風車輪幅般排列在加速器環上的儀器內。作者之一(貝拉)畢生的工作就是使用同步輻射X射線來研究原子、分子、奈米系統的內部深處。X射線最適合用來做這種事,因為X射線的波長和原子的大小差不多,因此原子的影子可呈現在X射線射束上。除此之外,我們還能調整X射線以挑出特定種類的原子,譬如說鐵原子,來顯示這些原子在固體或大分子如血紅素內的位置,就是鐵原子讓我們的血看起來是紅色。

不過有件事是同步加速器射出的X射線所做不到的,那就是追蹤分子或固體內原子的運動;原因在於這些脈衝要不是波長不夠短,不然就是不夠亮,讓我們只能看到朦朧的影子。同步加速器光源只能夠讓我們看到排列成晶體的分子影像,因為此時數百萬個分子被固定住,就如同一行行排列得非常整齊的立正軍隊。

雷射還是比一般光源亮很多,因為雷射產生的是同調光:雷射中的電磁場不會像波濤洶湧的海面那樣隨意翻騰,而是平滑地振盪,而且還可控制振盪的規律。雷射的同調性意味著雷射可以把極大的能量集中到很小的一個點上,並且能夠在短至一飛秒的時間之內開啟並關閉雷射。作者之一(巴克斯包姆)把超快光學雷射脈衝當做頻閃燈,可用來研究化學反應中原子的運動與過程。

不過傳統雷射的波長是在可見光波長附近,這樣的長度比能夠區分個別原子的波長還大上1000倍。就好像氣象雷達看得到一團暴風雨卻看不見雨滴,傳統雷射看得到一群原子如何運動,但是無法辨別其中的原子。為了讓影子更清楚一點,光的波長必須起碼和所觀察的物體一樣小,這就是我們需要X射線雷射的原因。


原子會發光

曾有一度,沒人敢想像可能建造得出X射線雷射機,因為建造一般雷射就已經非常困難了。一般雷射行得通的原因在於原子就像一顆小電池:它能夠以光子的形式吸收、儲藏、釋出小量的能量。它通常會自動釋出能量,但是於20世紀初,愛因斯坦發現一種可以觸發釋出能量的方式,這種方式稱為「受激發射」。如果你讓一個原子吸收某些能量,然後用帶有相同能量的光子去撞這個原子,原子便會釋出原來吸收的能量,而複製出一個一模一樣的光子。這兩個光子(原先碰撞原子的光子與原子釋出的光子)接著分別去撞另外兩個原子,讓那兩個原子也跟著釋出光子,然後這兩個光子與原先的兩個光子去撞擊另外四個原子,這種指數式的連鎖反應會一直持續下去,產生完全一樣的大量光子,最後形成雷射。

但是即使所有條件都滿足,原子也不必然會複製光子,因為原子在受到光子碰撞之後釋出一個相同光子的機率相當低,更容易發生的情況是,原子在受到光子碰撞之前已經自發性放出光子。傳統雷射克服這個限制的辦法是灌注能量給原子,並利用鏡子讓大量複製的光子來回擺盪,複製出來的光子會持續加入擺盪行列。以常見於超級市場價格掃描器的氦氖雷射來說,川流不息的電子撞擊氣體中的原子,產生的光子會在鏡子間來回擺盪200次。

然而對於X射線雷射來說,上述過程的每一步都變得遠比之前更為困難,原因是一個X射線光子的能量可以比可見光光子的能量大上1000倍,因此每個原子吸收的能量必須比之前大上1000倍,而原子無法帶有那麼大的能量太久,很快便會釋出這些能量;此外,讓X射線擺盪的鏡子也很難製造。雖然這些困難不是不可能解決,但我們需要灌注很大的能量才能創造出產生X射線雷射的條件。

事實上,第一座X射線雷射機的能量來自一次地下核彈試爆。那是一項稱為「王者之劍」的秘密計畫,由位於美國舊金山東邊的勞侖斯利佛摩國家實驗室執行。這項計畫尚未解密,不過不少關於它的資訊已經公開。這座裝置是美國前總統雷根在1980年代推動的戰略防禦計畫(俗稱「星戰計畫」)中的一環,當初的想法是要利用這座裝置射出死光來擊落飛彈或人造衛星。

同樣在1980年代,勞侖斯利佛摩實驗室也製造了第一座實驗室規模的非核子X射線雷射機,其能量是由威力強大、本來是用來測試核子武器性能的光學雷射所提供。不過這樣的X射線雷射機還不是實用的實驗儀器,物理學家不敢期待可以很快建造出能用於日常科學應用的X射線雷射機。

X射線雷射現身

科學家終究發展出了非軍事用途的X射線雷射;突破的關鍵來自位於舊金山灣區的另一所研究機構,所使用的裝置原本是為了完全不一樣的目標而設置的。在1960年代,史丹佛大學建造了世界最長的電子加速器,長達三公里;若從空中鳥瞰,這座加速器就像是從山中穿出來的一根針,指向大學校園中心。這座加速器稱為SLAC直線加速器,可以把一束束密集的電子加速到幾乎是光速——電子與光在一秒內行進的距離僅相差不到一公分!SLAC於粒子物理上的發現獲致三個諾貝爾獎。

不過對於粒子物理研究而言,這座加速器終歸得退休下場;粒子物理學家現在仰賴的是位於日內瓦附近的大強子對撞機。因此在10年前,史丹佛大學與SLAC的主管機構美國能源部科學局決定把這座加速器的一部份改裝成X射線雷射機。SLAC為加速器裝配了「聚頻磁鐵」,現代同步加速器也是用同樣的裝置來產生X射線。

聚頻磁鐵是由一連串的磁鐵組成的,可以產生交替的磁場,電子通過聚頻磁鐵會擺動而發出X射線。在環形的同步加速器中,一旦電子離開聚頻磁鐵,它們便以弧形軌道偏轉,這樣一來電子就不會擋住X射線,讓X射線得以進入各實驗站。電子不停地在環形軌道繞行,每次一通過聚頻磁鐵,就會發射出一束X射線。

可是SLAC加速器卻是一直線,而且聚頻磁鐵又是不尋常地長(130公尺),電子與光子的路徑又是一樣,速度也幾乎相同,結果就是一場次原子世界的撞車比賽。電子擋住了它們所發射的X射線,以致於光子會不停側擊電子,使電子經由「受激發射」過程而放射出相同的光子。

因為電子與光子並肩而行,我們便不需要用鏡子使光子穿透電子來回彈跳。因此,產生X射線雷射所需的條件就是一束密集的高速電子,以及夠大的空間來容納很長的聚頻磁鐵,而SLAC正好具備這些條件。如果一切裝置幾乎完美地排列起來,你就會看見極亮的一束X射線。在加速器尾端,電子將被引導開來,而光子就進入實驗站。整套系統的技術名稱是「自由電子雷射」。

雖然LCLS當不了「星戰」的武器,但它仍然是非常強大的裝置。它最高的聚焦強度是每平方公分1018瓦,比同步加速器光源要強上數十億倍。這座雷射可以切穿鋼鐵,其振盪電磁場的強度比分子內綁住原子的電磁場強度大上1000倍。

物質的核心

科學界想要使用這座雷射進行許多研究計畫,但是只有少於1/4的計畫得以進行,使得它無法滿足所有需求。LCLS實驗室科學組員每星期五天、每天12小時不休息地服務大量外來的研究團隊:學生、博士後研究員與資深科學家,每分每秒都不能浪費。

這些有了X射線雷射才得以進行的研究,涵蓋的範圍很廣。為了讓大家有一點認識,這裡舉兩個我們兩人特別感興趣的科學問題為例:物質在極端條件之下的行為以及分子超快影像能讓我們知道什麼?這兩個問題與我們的專業(原子、分子、光學物理)所研究的基本過程密切相關。

當LCLS在分子與固體中創造出中空的原子,它利用的是原子的外層電子有向內掉、以填補那些空出來的內層位置的傾向,這個稱為「奧格弛豫」的現象需要數飛秒的時間才能完成。如果我們把一飛秒X射線雷射脈衝照射到研究的系統上,外層電子將沒有時間掉到中空的內層位置。在這個情況下,中空的原子對於隨後進來的X射線光子而言是透明的,即便這些光子的強度很高。我們已經在LCLS偵測到這種原子的中空透明性,除此之外,在分子以及更大的材料樣本上,也看到了這種狀況。

理論顯示,在巨行星(例如木星)內部,溫度可高達兩萬K,是太陽表面溫度的四倍。在這種情況下,這些行星的主要組成元素(氫與氦)應該形成有極端密度與結構的奇異固體。對於這種狀態的細節,我們所知甚少。即便是這種材料的強度與它對壓力的反應,都不容易測量,也很難從基本原理去澈底了解。目前,這個領域的研究非常依賴理論模型,能夠檢驗這些模型的實驗非常稀少。

在利用LCLS所做的最早一批實驗之中,有幾項實驗試圖複製這種極端條件;高強度的雷射可以以極快的速度升高物質的溫度,而產生不尋常的效應。例如,我們首次觀察到多束X射線能夠一同照射多個原子組成的分子,把被原子核緊緊綁住的電子釋放出來,這個過程稱為「多光子吸收」。高密度的光子也可以透過一個稱為「逐次吸收」的過程,把多個電子從一個原子、分子或固體拉扯出來,讓它們變成中空的狀態,就像之前說的那樣。此外,高強度X射線也可以很快打斷預期存在於大型行星內部的分子(包括水、甲烷與氨)內的所有鍵結。科學家想知道大型行星核心內部以及彗星撞擊行星時的「物態方程式」(equation of state)——這是掌控密度、溫度、壓力三者關係的公式,對於處於極端條件之下物質的測量,也有助於確定這些方程式。

爆開蛋白質

我們現在介紹第二條研究路線,目的是要填補科學知識的一項嚴重缺漏,研究的訣竅是把雷射當做X射線高速照相機,以拍出分子的照片,以及物理、化學及生物動態過程的影片。至今研究者對於眾多生物分子的結構所知極為有限,尤其是膜蛋白與大型巨分子錯合物。傳統的技術(結晶學)必須先從生長出夠大、夠完美的晶體開始,以便能讓一束同步加速器X射線繞射開來,產生的繞射圖案便可顯示分子結構。這種方法的缺點是X射線很容易傷害所照射的分子。為了補償這一點,研究人員必須製備較大的晶體,但是很多我們感興趣的分子,包括膜蛋白,很難結成晶體。除了這項弱點,同步加速器技術也過於緩慢,不能觀察到發生於飛秒化學時間尺度的短暫現象。

乍看之下,對於前述的研究來說,LCLS似乎恰是錯誤的工具,因為它比同步加速器光源強上幾十億倍,因此脆弱的材料,例如蛋白質或非結晶系統,即便是一次X射線脈衝的衝擊也禁不起,它們會爆炸開來,變成非常熱的電漿湯。令人意外的是,這種極具破壞性的強度正好是我們需要的:因為脈衝如此之短、如此之亮,以致它可以在分子爆開來之前捕捉到分子的影像。因此雖然雷射破壞了樣本,我們仍可以在樣本毀壞之前看清楚它的模樣。

這個稱為「破壞之前先繞射」的觀念已經開始獲得成果,科學家已經使用飛秒結晶學來記錄奈米晶體、蛋白質以及病毒的繞射圖樣。最近的研究已經得到某種蛋白質的結構,這種蛋白質與一種由原生寄生蟲引起的致命睡眠疾病有關。

既然LCLS已經開創了這項技術,歐洲與亞洲的實驗室也開始規劃或建造自己的自由電子X射線雷射。新一代的機器將更穩定,並能把射束控制得更好,對這些新機器來說,一個尤其重要的目標是讓X射線脈衝更短。當脈衝短至0.1飛秒,我們不僅可能可以觀察到原子的運動,還可能觀察到電子在原子與分子內的運動,新裝置甚至可以讓我們控制這些運動。過去人們夢想有一天能把化學鍵如何斷裂與形成的過程拍成影片,現在這個夢想已不再遙不可及了。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2014年第145期3月號】



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