交付给 SLAC 的低温模块，用于增强 X 射线束。Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC 国家加速器实验室
物理世界正在围绕欧洲核子研究中心的大型强子对撞机进行集结，经过长时间的升级和长达数年的停顿后，它现在上线了。但这并不是唯一真正接收新能量的科学机器。近 6,000 英里外，在地球的另一端，另一座正在进行最后的润色。
位于旧金山南部的 SLAC 国家加速器实验室拥有一个名为 LCLS 的大型激光器，科学家可以使用 X 射线来观察分子。考虑像 LCLS 这样的设施的方式实际上是超分辨率显微镜。
现在，LCLS 刚刚完成了一项名为 LCLS-II 的重大升级，该升级使激光下降到仅比绝对零高几度。
赋予粒子加速器新的生命
半个世纪前，SLAC 的隧道安装了一个粒子加速器。虽然今天大多数粒子加速器都让他们的猎物绕着圈子旋转，但这个加速器是完全笔直的。为了使电子达到粉碎的速度，它必须超过 2 英里长。在它开放后的几十年里，它是“世界上最长的建筑”。（这条隧道非常独特，一条数英里长的直线刻在山麓上，飞行员用它来寻路。）
当它在 1966 年上线时，这个所谓的斯坦福直线加速器是一个工程奇迹。在接下来的几十年里，在那里进行的粒子物理学研究获得了不少于三项诺贝尔物理学奖。但到了 21 世纪，它已成为某种遗迹，被欧洲核子研究中心和其他地方的其他加速器超越，这些加速器可以粉碎更高能量的粒子，看到斯坦福看不到的东西。
但那座 2 英里长的建筑仍然存在，2009 年，SLAC 为其配备了一台新机器：直线加速器相干光源 (LCLS)。
LCLS 是称为 X 射线自由电子激光器 (XFEL) 的设备的一个示例。虽然它是激光，但它与激发小猫的小型手持激光笔没有太多共同之处。那些使用二极管等电子元件产生激光束。
另一方面，XFEL 与粒子加速器的共同点要多得多。事实上，这是激光的第一阶段，将电子束加速到非常接近光速。然后，这些电子通过一圈磁铁，迫使它们以之字形快速折返。在此过程中，电子以 X 射线的形式将其巨大的能量向前发射。
电子枪是光束的来源。Marilyn Chung/伯克利实验室 通过 SLAC
这样做可以产生从微波到紫外线到可见光的各种电磁波。但科学家更喜欢使用 X 射线。这是因为 X 射线的波长约为原子大小，当聚焦在强大的光束中时，科学家们可以窥探分子内部。
LCLS 与世界上大多数其他 X 射线源不同。加州光束就像闪光灯一样工作。每次闪光都会捕捉到该分子在特定状态下的运动。
LCLS 最初每秒可以拍摄 100 次闪光。这让科学家们可以制作一部关于化学反应发生的电影。他们可以观察原子之间的键形成和断裂，并观察新分子。它可能很快就能制作帧速率快数千倍的电影。
冷却激光
在其第一次迭代中，LCLS 使用铜结构来加速其电子。但是增加整台机器的功率正在推动铜的极限。铜只是拉动了过多的电流，所以它会熔化，就像你在保险丝盒中熔断一根电线一样。
有一种方法可以解决这个问题：称为超导性的奇异量子效应。
当您将材料降低到某个临界温度以上时，它的电阻几乎会下降到零。然后，您可以在功能上使电流无限期流动，而不会像热量一样向周围环境损失能量。
