硬X線自由電子レーザー装置は分子の動画を作ることができます

最近、「国家主要科学技術インフラ建設のための第13次5か年計画」の優先事項として、中国の科学技術インフラへの最大の投資である最も硬いX線自由電子レーザー装置（XFEL）が承認されました。 。この種の装置は、科学者が原子スケール、さらには電子スケールで微視的な世界を見るのに役立つため、「ネイチャー」誌と呼ばれる科学者によって「高速度カメラ」と呼ばれています。

原子や電子の動きが速すぎるので、人間はそれらがどのように動くのか見たことがありません。 XFELは、微視的な世界の瞬間的な画像をキャプチャし、ゆっくりと再生できるため、科学者は謎を理解することができます。さまざまな国で開発された科学研究ツールになっています。

これまで中国で最大の科学技術インフラストラクチャへの投資である、最も硬いX線自由電子レーザーデバイス（XFEL）が最近承認されました。このサイトは、上海張江総合国立科学センターの中核エリアにあります。長さ3.1キロメートルのユニットは、浦東新区の羅山路に沿って深さ約30メートルの地下トンネルを建設し、上海科技大学公園まで延長します。

早くも2009年に、米国は世界初のXFELを製造しました。近年、日本、スイス、韓国は研究開発を強化しています。昨年9月、ヨーロッパの12か国が共同で12億ユーロを投資し、ドイツのハンブルク近郊のヨーロッパXFELで最初の実験バッチを構築しました。

硬X線自由電子レーザー装置によって提供されるX線は、第3世代の放射光源よりも数万倍明るくなる可能性があり、科学者が電子スケールで原子の世界、さらには微視的な世界を見るのに役立ちます。 「分子写真」を「分子フィルム」のレベルまで撮影することは、世界中の科学者にとってホットスポットになっています。英国の雑誌Natureは、このデバイスを科学者向けの「高速度カメラ」と呼んでいます。

通常のX線よりも超高速の時間分解能

高速で移動する電子は、磁場によって偏向されると、通常のX線の10,000倍の強さである接線方向に放射光を放出します。 X線自由電子レーザーは、磁場にさらされると順方向に高エネルギーの電子を放出する放射光である放射光よりも強力です。

X線自由電子レーザーは、エネルギーと波長の違いによって軟X線と硬X線に分けられます。後者は、同期放射よりも数万倍高い明るさを持ち、その波長は数ナノメートル（10メートル）に達する可能性があります。

放射光と比較して、X線自由電子レーザーは、より高い輝度、より短いパルス構造、およびより優れたコヒーレンスを備えています。放射光は分子レベルの構造を見ることができ、硬X線自由電子レーザーは原子レベルの構造を見ることができます。違いはなんですか？放射光が建物の表面を見ることができる場合、硬X線自由電子レーザーは各窓で何が起こっているかを見ることができます。

明らかに、XFELは、科学者がこれまでに見たことのない小宇宙を見るのを助けることができ、いくつかの科学的推測が謎を解くかもしれません。既存のXFEL性能にはまだ改善の余地がありますが、科学者はこの超軽量光源を使用していくつかの新しい発見を得ています。たとえば、中国科学院上海薬物研究所のHuaqiang Xu研究員が率いる国際的なクロスチームは、共同研究を通じて、スタンフォード線形加速器センター（SLAC）NationalのXFELを使用して、リン酸化ロドプシンとリプレッサー複合体の分析に成功しました。加速器研究所。結晶構造は、細胞シグナル伝達の分野における主要な科学的問題を克服しました。データ分析方法の改善と改善により、彼は同じデータセットを使用し、2つの主要な発見をしました。論文はアメリカの雑誌Cellに掲載されました。これはまた、XFELが貴重な研究データを科学的発見にもたらすことを一方の側から示しています。

過去10年間、世界中の科学者はこの種のレーザーを追求し、その性能を絶えず改善しており、自然に対する人間の理解をより深く促進することを望んでいます。ちょうど昨年9月、ヨーロッパの12か国が共同で投資したXFELは、17.5GeV（109eV）のエネルギーと毎秒27,000パルスで、ドイツのハンブルク近郊で最初の実験を開始しました。 2009年に米国で製造されたXFELエネルギーは14.5GeVに達し、現在、アップグレードされたバージョンの製造を開始しています。エネルギー指数は4GeVですが、1秒あたり100万パルスを放出できます。これは、現在のデバイスの10,000倍です。中国で新たに発売されたXFELエネルギーは8GeVであり、非常に高品質の光子を生成できます。また、ナノスケールの超高空間分解能とフェムト秒（10秒）の超高速時間分解能も備えています。

科学者は硬X線自由電子レーザーで何ができるでしょうか？初期のXFELでは、科学者は1秒あたり約100本のX線を収集でき、新しく立ち上げられた欧州XFELステーションでは、科学者は1秒あたり3,000個を超える高品質のX線を収集できました。それで、パルスの数が最大100万である場合、小宇宙の顕微鏡画像はいくつ科学者にもたらされますか？

毎秒24フレームの画像が視覚的に連続した動画、つまり最も基本的な映画を形成できることはよく知られています。 1秒あたりの画像数が1000フレームを超えると、高速度カメラのレベルに入ります。毎秒数百万のパルスは、おそらく毎秒100,000ものX線があることを意味します。これは本当に超高速度カメラです。

一般的に、高速度カメラの画質はそれほど高くありませんが、XFEL高速度カメラの現在の解像度は100ナノメートルのレベルに達しており、将来的にはナノレベルまでスプリントします。

科学者がそのような高速HDカメラを必要とするのはなぜですか？これは、原子と電子の動きが速すぎるためです。人間は彼らがどのように動くかを見たことがありません。彼らは電子の雲、つまり電子の急速な動きによって形成された軌道の霧しか見ることができません。それは武道のようなものです。小説には、カラフルな手のひら、サイバネティックネット、または影のない神の拳があります。 XFELは、このプロセスを捉え、科学者がゆっくりと再生できるようにして、プロセスの謎を明らかにし、電子が分子間をどのように移動するかなど、電子と原子構造の動的変化を明確に確認できるようにすることが期待されています。ミクロの世界を人の前に提示するのと同じで、今のところ不可能です。

新しい発見は、以前の科学的認識の多くを覆す可能性があります。なぜなら、現在は漠然とした画像しか見ることができず、実際の微視的な粒子の世界を推測するために平均的な画像しか使用できないからです。たとえば、超伝導がどのように発生するか、「ライフマシン」タンパク質分子がどのように機能するか、化学反応で化学結合がどのように形成されるかなどです。科学者たちはこの光源を使用して、ヨウ化メチル分子（CH3I）のヨウ素原子から電子をほぼ完全にノックアウトしました。その結果、ヨウ素原子はブラックホールの電磁気のようにメチル電子を引き付け、その応答時間はフェムト秒になります。レベル。調査結果は、昨年6月に英国のジャーナルNatureに掲載されました。

自由電子レーザーは電子の進行方向に光を放射するため、放射光のように大きなリングの周りに光線を引くことはできず、数十の実験ラインステーションを構築しますが、光を許可するだけです。わずかに偏向し、限られた数の束に分割され、実験ステーションに接続されています（数は通常10以下です）。これはまたそれを特に価値のあるものにします。

一般的なXFELには、線形加速器トンネル、アンジュレータトンネル、ビームライントンネル、およびユーザーデバイスが含まれます。より高いエネルギーの電子を得るには、より長い電子加速距離が必要であるため、デバイスはますます長くなります。電子加速の距離を短くするために、超伝導ベースの加速器が世界のXFEL構造の主流になりつつあります。

上海に建設されようとしているXFELも、超伝導加速器を使用して、世界で最も効率的で高度な自由電子レーザーユーザーデバイスの1つになっています。

設置後、このデバイスは、高解像度イメージング、超高速プロセス探索、物理学、化学、生命科学、材料科学、エネルギー科学の高度な構造解析などの最先端の研究手法を提供します。張江地域はまた、放射光源、軟X線自由電子レーザー、硬X線自由電子レーザー、超強力超短レーザーのクラスターを備えた同じ地域の国際フォトニクス研究高地になるでしょう。

このプロジェクトはまた、大学や研究機関の壁を打ち破り、多数のハイテク企業と手を組み、張江地域で「大きなことをするための強みを集める」ことを目指しています。記者は、XFELの多くの技術が限界に挑戦しなければならないため、中国のハイエンド製造業の改善に大きな牽引効果があることを学びました。

硬X線自由電子レーザーの使用

XFELの最初の実験

自由電子レーザーは、原子の発見から始まります。この研究は、英国のジャーナルNatureの2010年7月1日号に掲載されました。

結晶化が難しいタンパク質を研究する

中国科学院上海薬物研究所の研究者であるHuaqiangXuが率いる国際的なクロスチームは、世界最強のXによって分析されたリン酸化ロドプシンとリプレッサー複合体の結晶構造データを使用して、細胞シグナル伝達の問題を解決しました。 -光線レーザーの主要な科学的問題。画期的な成果は、2017年7月28日にAmerican Journal ofCellにカバーストーリーとして掲載されました。

原子構造を見る

非常に高強度のX線自由電子レーザーは、ヨウ化メチル分子CH3Iのヨウ素原子（右）から54（62）個の電子をノックアウトし、ブラックホール電磁のようにメチル（左）電子を引き付けます。時間はフェムト秒以内です。この研究は、2017年6月1日に英国のジャーナルNatureに掲載されました。

化学反応のメカニズムを明らかにする

化学結合の形成の瞬間をキャプチャします。研究結果は、アメリカンジャーナルサイエンスの2015年2月12日号に掲載されました。

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