世界上第一台緊湊型X射線(xiàn)自由電(diàn)子激光器将建在亞利桑那州立大學(xué)（ASU）。

美國(guó)國(guó)家科(kē)學(xué)基金會的（NSF）今天宣布向亞利桑那州立大學(xué)提供9080萬美元的資金，用(yòng)于推進X射線(xiàn)科(kē)學(xué)的突破性研究，這是該大學(xué)曆史上最大的美國(guó)國(guó)家科(kē)學(xué)基金會研究獎。美國(guó)國(guó)家科(kē)學(xué)基金将支持一個為(wèi)期五年的項目，來建造世界上第一個緊湊型X射線(xiàn)自由電(diàn)子激光器，或稱CXFEL。這個獨一無二、房間大小(xiǎo)的X射線(xiàn)激光器将滿足研究人員探索複雜物(wù)質(zhì)在原子長(cháng)度和超高速下複雜性的關鍵需求。

CXFEL将使科(kē)學(xué)家們能(néng)夠詳細觀察生物(wù)學(xué)分(fēn)子進程——這些過程對于研究人類健康和開發新(xīn)藥非常重要。它還将幫助研究人員推進可(kě)再生能(néng)源研究、量子技(jì )術以及半導體(tǐ)研究和制造。此外，CXFEL将極大地縮小(xiǎo)現有(yǒu)大型X射線(xiàn)自由電(diàn)子激光器（XFEL）設施所使用(yòng)的技(jì )術規模，使其能(néng)夠被安(ān)置在大學(xué)、醫(yī)療或工(gōng)業環境中(zhōng)。尺寸縮小(xiǎo)後，更多(duō)的研究機構将能(néng)夠以較低的成本獲得這項技(jì )術。

“這一創新(xīn)将直接使我們當地、國(guó)家和全球社區(qū)受益。”ASU校長(cháng)Michael M. Crow說。“我們已經進入了一個新(xīn)的階段，使科(kē)學(xué)發現更加易于獲取和更加經濟。這是ASU迄今為(wèi)止最重要的研究項目之一，它将在與世界重大挑戰有(yǒu)關的許多(duō)關鍵領域産(chǎn)生積極影響。”

除了9080萬美元的NSF撥款，該大學(xué)還将投資約8000萬美元用(yòng)于該儀器、相關基礎設施、設備和其他(tā)支持。這約1.7億美元 “将使ASU進入一個新(xīn)的科(kē)學(xué)紀元”，Crow說。

CXFEL将被建造并安(ān)置在ASU生物(wù)設計研究所的緊湊型X射線(xiàn)自由電(diàn)子激光實驗室裏，位于坦佩校區(qū)。一個由ASU工(gōng)程師、科(kē)學(xué)家和學(xué)生組成的多(duō)元化團隊已經合作(zuò)了十年，為(wèi)這個開拓創新(xīn)、影響巨大的項目的實現奠定了基礎。

該項目的首席科(kē)學(xué)家和主要研究人員比爾-格雷夫斯教授說：“我們團隊為(wèi)使CXFEL成為(wèi)現實，做出了長(cháng)久的努力，知道這一切正在得到回報讓人激動又(yòu)滿足，我們對國(guó)家科(kē)學(xué)基金會的支持和亞利桑那州立大學(xué)具(jù)有(yǒu)前瞻性的領導表示感謝(xiè)。我們相信我們将首次完全掌控X射線(xiàn)激光的特性，産(chǎn)生的光束可(kě)以探測自然界的量子極限。這對緻力于揭開生物(wù)、化學(xué)、物(wù)理(lǐ)和新(xīn)材料秘密的各種富有(yǒu)想象力的科(kē)學(xué)家來說将是一個福音。”

對人類健康、半導體(tǐ)制造和其他(tā)科(kē)學(xué)領域的影響

由于CXFEL技(jì )術的應用(yòng)跨越了許多(duō)研究學(xué)科(kē)，因此其突破性發現的潛力是巨大的。

在醫(yī)學(xué)領域，作(zuò)為(wèi)例證，CXFEL在分(fēn)子尺度上制作(zuò)圖像和電(diàn)影的能(néng)力可(kě)以揭示病毒（如SARS-CoV-2）如何攻擊細胞或藥物(wù)如何與靶蛋白結合。這可(kě)能(néng)會幫助人們找到更安(ān)全、更有(yǒu)效的藥物(wù)，從而協同對抗新(xīn)病或頑疾。另外，CXFEL可(kě)以揭示癌症等疾病的分(fēn)子動态和結構，或者顯示癌細胞躲避免疫系統的過程。
“CXFEL的激光X射線(xiàn)能(néng)力和可(kě)及性為(wèi)科(kē)學(xué)創新(xīn)提供了技(jì )術，對于推動科(kē)學(xué)的進步，意義非凡，”ASU生物(wù)設計研究所執行主任Joshua LaBaer說，“分(fēn)子和材料科(kē)學(xué)将不再是以前的模樣了。”

當前國(guó)内制造業是頭等大事，CXFEL的強大成像能(néng)力也可(kě)以推動半導體(tǐ)設計，并可(kě)能(néng)帶來更快捷、更有(yǒu)效的電(diàn)子産(chǎn)品。亞利桑那州正在迅速發展為(wèi)全球半導體(tǐ)中(zhōng)心，而CXFEL将同亞利桑那州立大學(xué)一起為(wèi)此提供支持。

量子材料——其中(zhōng)的量子行為(wèi)導緻了新(xīn)的特性——這些特性還未能(néng)完全被揭示，但對推動從磁存儲器到新(xīn)的傳感和通信平台的技(jì )術發展至關重要。CXFEL可(kě)以幫助解讀這些特殊材料的物(wù)理(lǐ)構造，使它們能(néng)夠在一系列行業中(zhōng)得到應用(yòng)。這些材料對量子計算和量子信息科(kē)學(xué)與技(jì )術至關重要。
“将這種變革性的創新(xīn)帶入世界是ASU的目的。新(xīn)的CXFEL儀器的重要性以及它将對科(kē)學(xué)、人類健康和我們世界面臨的許多(duō)關鍵問題産(chǎn)生的影響是巨大的。我們确實正在改變世界解決問題的方式。”亞利桑那州立大學(xué)知識企業部執行副總裁Sally C. Morton說。

△ 解釋CXFEL工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)的插圖。亞利桑那州立大學(xué)提供

讓CXFEL的力量為(wèi)更多(duō)人所用(yòng)

随着技(jì )術的進步，世界上許多(duō)發明的體(tǐ)積都在縮小(xiǎo)，讓更多(duō)人可(kě)以使用(yòng)。想想計算機、電(diàn)視和電(diàn)話的作(zuò)用(yòng)——現在隻需一個設備，智能(néng)手機，就可(kě)以輕松實現所有(yǒu)功能(néng)。

同樣，現在的XFEL設備是巨大的——有(yǒu)一公(gōng)裏長(cháng)（1公(gōng)裏=0.6英裏）甚至更大——由于巨大規模，還要耗費數十億美元的成本，全世界隻有(yǒu)少數幾個。ASU的設備将是緊湊的，隻有(yǒu)10米（30英尺）長(cháng)，提供超短脈X射線(xiàn)，讓大學(xué)校園裏更容易試驗先進的X射線(xiàn)科(kē)學(xué)。

由于CXFEL的尺寸比大型XFEL小(xiǎo)得多(duō)，而且成本相應較低，這種激光工(gōng)具(jù)會讓更多(duō)的科(kē)學(xué)家獲得光束時間。該設施将提供給來自各種科(kē)學(xué)學(xué)科(kē)的國(guó)内外調查人員。

世界第一台CXFEL設備

CXFEL将使科(kē)學(xué)家們能(néng)夠确定我們視覺背後的分(fēn)子過程、光合作(zuò)用(yòng)如何将光轉化為(wèi)能(néng)量的早期反應以及呼吸背後的的生物(wù)化學(xué)路徑。該儀器以ASU名(míng)為(wèi)CXLS的原型儀器的成功為(wèi)基礎，最近産(chǎn)生了它的第一批X射線(xiàn)。

CXFEL完成後，有(yǒu)望突破當前XFEL科(kē)學(xué)的界限。其性能(néng)的關鍵是它的可(kě)調諧性，有(yǒu)可(kě)能(néng)産(chǎn)生脈沖持續時間極短的X射線(xiàn)束，以進入阿托秒(miǎo)系統——不到十億分(fēn)之一秒(miǎo)的百萬分(fēn)之一。這提供了觀察分(fēn)子所需的分(fēn)辨率，因為(wèi)它們存在并在原子水平上相互作(zuò)用(yòng)。它的操作(zuò)類似于高速相機的快門，可(kě)以捕捉蜂鳥的翅膀扇動，拍下看上去似乎靜止的畫面，或揭示馬如何奔跑（實際上是在跳躍）。

△ CXFEL實驗室首席科(kē)學(xué)家William (Bill) Graves站在用(yòng)于建造CXLS的磁鐵旁邊，這是一個原型儀器。他(tā)說：”這為(wèi)我們提供了新(xīn)的工(gōng)具(jù)，能(néng)夠以不同的方式觀察醫(yī)學(xué)、半導體(tǐ)和各種成像。”照片由亞利桑那州立大學(xué)提供。

需要團隊協作(zuò)

ASU CXFEL項目包括一個由教師、員工(gōng)和學(xué)生組成的優秀團隊，以及來自10所大學(xué)和研究機構的合作(zuò)者。ASU的學(xué)生将繼續在CXFEL設施的工(gōng)作(zuò)中(zhōng)發揮重要作(zuò)用(yòng)。一旦投入使用(yòng)，CXFEL一半以上的勞動力将是學(xué)生，實踐會将他(tā)們鍛造成下一代X射線(xiàn)研究科(kē)學(xué)家。

CXFEL項目的領導團隊包括:

● 威廉(比爾)-格雷夫斯，CXFEL的項目主管和主要研究人員。他(tā)是亞利桑那州立大學(xué)綜合科(kē)學(xué)與藝術學(xué)院的教授和CXFEL加速器開發的領導者。
● 馬克-霍爾，CXFEL的總工(gōng)程師和副主任。霍爾負責技(jì )術和系統集成，并确保CXFEL的設計、制造和裝(zhuāng)配工(gōng)作(zuò)中(zhōng)的技(jì )術要求是一緻的。
● 佩特拉-弗羅姆，CXFEL的科(kē)學(xué)主任。她是亞利桑那州立大學(xué)分(fēn)子科(kē)學(xué)學(xué)院的執政教授，應用(yòng)結構發現生物(wù)設計中(zhōng)心的主任和CXFEL生物(wù)學(xué)項目的負責人。
● 羅伯特-凱恩德(dé)爾，ASU的Beus CXFEL實驗室主任和ASU物(wù)理(lǐ)系的教授。他(tā)領導CXFEL的驗證階段和向運營的過渡。
● 薩姆-泰特爾鮑姆，量子材料項目負責人和亞利桑那州立大學(xué)物(wù)理(lǐ)系助理(lǐ)教授。他(tā)在超快科(kē)學(xué)中(zhōng)實施了許多(duō)新(xīn)技(jì )術。
● 阿爾文(wén)德(dé)-沙胡，亞利桑那州立大學(xué)物(wù)理(lǐ)系的原子、分(fēn)子和光學(xué)項目負責人和教授。他(tā)還領導CXFEL的先進激光技(jì )術的開發。
● 大衛-溫克爾，ASU的CXFEL項目經理(lǐ)。他(tā)負責使項目按計劃和預算進行，管理(lǐ)風險并向美國(guó)國(guó)家科(kē)學(xué)基金會報告。
● 迪安(ān)娜-克拉克，CXFEL的運營助理(lǐ)主任。她負責管理(lǐ)項目的人員、采購(gòu)和業務(wù)運作(zuò)。

美國(guó)國(guó)家科(kē)學(xué)基金會的合作(zuò)者包括哈佛大學(xué)(Harvard University)、堪薩斯州立大學(xué)(Kansas State University)、麻省理(lǐ)工(gōng)學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)、亞利桑那大學(xué)(University of Arizona)、紐約州立大學(xué)布法羅分(fēn)校(State University of New York at Buffalo)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分(fēn)校(University of California, Berkeley)、加利福尼亞大學(xué)戴維斯分(fēn)校(University of California, Davis)、内布拉斯加大學(xué)林肯分(fēn)校 (University of Nebraska, Lincoln)、威斯康星大學(xué)密爾沃基分(fēn)校 (University of Wisconsin-Milwaukee)、勞倫斯伯克利國(guó)家實驗室和SLAC國(guó)家加速器實驗室。

這項建設獎勵是之前在美國(guó)國(guó)家科(kē)學(xué)基金會中(zhōng)型研究RI-1計劃下獲得的470萬美元獎勵的後續，用(yòng)于設計CXFEL。此外，Annette和已故的Leo Beus的1000萬美元捐款支持了CXLS和ASU的CXFEL實驗室的建設，以及ASU的重要基礎設施投資。

生物(wù)設計研究所及其CXFEL實驗室得到了亞利桑那州技(jì )術和研究倡議基金的部分(fēn)支持。TRIF的投資使亞利桑那州各大學(xué)的數萬名(míng)學(xué)生得到了實踐培訓，支持了數千項科(kē)學(xué)發現和專利技(jì )術，和數百家新(xīn)興創業公(gōng)司。通過選民(mín)批準的公(gōng)共支持，TRIF是發展亞利桑那州經濟和為(wèi)亞利桑那州居民(mín)提供工(gōng)作(zuò)、學(xué)習和發展機會的重要資源。

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