张江科学中心探营 把生命科学带入"分子电影"时代
图片说明：制图：王晨
上海光源，是张江综合性国家科学中心的第一地标，其鹦鹉螺造型集科学与艺术于一体。作为全球最先进的第三代同步辐射光源之一，上海光源是科研人员从事物理、化学、生物、材料、能源等多学科研究的利器。去年，我国科学家借助上海光源发现了外尔费米子，揭示了埃博拉病毒机理。如今，上海光源二期线站工程即将开建，“鹦鹉螺”旁的X射线自由电子激光试验装置正加紧建设，计划今年底调束出光。
如果说，第三代同步辐射光能为科学家拍摄“分子照片”，那么被称为“第四代先进光源”的X射线自由电子激光，能把生命科学带入“分子电影”时代，对生物活体细胞进行三维全息成像和显微成像。
虽然寒假刚结束，但不少高校、院所的科研人员已在“鹦鹉螺”投入工作。在软X射线能区覆盖能量最宽的“梦之线”，中科院物理研究所的博士生孔令元，正在利用角分辨光电子能谱仪探测一件单晶样品。“世界上适合探测单晶的光源并不多，上海光源发出的软X射线，可以在低能区测单晶表面，在高能区测单晶体态。”孔令元指着这台硕大的仪器告诉记者。
去年，中科院物理研究所的丁洪研究组，正是借助上海光源的角分辨光电子能谱仪，证实了理论预言的三维电子能谱和费米弧。这一成果，被欧洲物理学会评为“2015年度国际物理学十大突破”之一，相继入选“2015年中国十大科技进展新闻”和“2015年度中国科学十大进展”。1929年，德国物理学家外尔提出，当质量为零时，狄拉克方程描述的是一对能量相同但具有相反手性的新粒子，即外尔费米子。80多年过去，人们一直未能观测到这种神奇的粒子。在“梦之线”帮助下，我国科学家去年找到了这种隐身80多年的“幽灵粒子”。
外尔费米子的发现，提出了很多新的科学问题，也为开发低能耗电子器件等变革性技术提供了新思路。中美等国科研团队正在进一步深入探索，上海光源“梦之线”是中国团队参与这场国际竞争的强大装备。
打造“光剑”，对活细胞三维全息成像
上海光源的装备还在不断升级。目前，“鹦鹉螺”旁的X射线自由电子激光试验装置正在建设，计划今年底调束出光，2018年正式投入使用。升级的X射线自由电子激光用户装置也已得到立项批复。
中科院应用物理研究所所长赵振堂介绍，“鹦鹉螺”是第三代同步辐射光源，而X 射线自由电子激光属于第四代先进光源，其峰值亮度比第三代同步辐射光源高9—10个量级（即10的9—10次方）；成像时间尺度可达到飞秒量级（1秒的1000万亿分之一），比第三代同步辐射光高3个数量级；而且相干性更好，属于相干的X射线光源。
在设施外观上，X射线自由电子激光用户装置是狭长型建筑，加速器长200多米，建筑总长500米左右，好似一柄光剑。这柄“光剑”有两个重要波段：“水窗”（波长2.3—4.4纳米）和“磁窗”（波长1—2纳米）。在“水窗”波段，水中的氧基本透明，生命物质的主要元素——碳却有很强的吸收。利用这个波段的软X射线，可以在很好的对比度下观测活体细胞和生物样品，实现生物学家的一大梦想：对生物活体细胞进行三维全息成像和显微成像。而且，由于成像时间精度达到飞秒级，X射线自由电子激光拍摄到的可不是生物分子“照片”，而是“视频”。鉴于此，上海科技大学计划在X射线自由电子激光试验装置上，建立“活细胞成像平台”，以纳米级分辨率、飞秒级速度探测细胞奥秘，为生命科学研究提供前所未有的装备。而在“磁窗”波段，存在大量原子共振吸收边，对研究超快、大容量磁光存储器件有重要作用。
二期线站工程将大幅提升实验能力
今年下半年，上海光源二期线站工程也将开工建设。“鹦鹉螺”现有13条光束线站在运行，二期工程将新建16条线站，耗时6年、预算16.8亿元。开建3年后，线站就会陆续投入使用。
赵振堂介绍，上海光源近期规划了20多条光束线站。通过安装波荡器、扭摆器这两种插入件光源，这台“巨型X 光机”发出的各种高性能同步辐射光，会不断引入新的线站，从而大幅度增加实验方法、提升实验能力，让更多科研用户汇聚在上海光源，开展高水平前沿研究。在二期工程的16条线站中，有3条会从“鹦鹉螺”体内延伸出来，建在“鹦鹉螺”旁的人工湖上。
除了二期工程的光束线站，另有7条线站也在建设或设计中。其中，国家自然科学基金委出资建设2条，用于研究能源和环境材料，明年建成；中石化建设3条，研究催化和高分子材料；中国工程物理研究院建设2条，研究极端条件下的物理现象。
上海光源投入使用6年多来，已有385家单位、1900多个课题组、12000多人成为用户，取得了众多有价值、有影响力的科研成果，其中3项入选“中国科学十大进展”，3项入选“中国科技十大进展新闻”，1项被美国《科学》“十大突破”引用，1项入选欧洲《物理世界》“十大突破”。从地域分布上看，上海光源的用户几乎覆盖我国所有省市自治区，还有10多个国家的科研人员以合作形式来到这里，开展研究工作。随着更多线站以及X 射线自由电子激光试验装置的建成，将有更多国内外用户慕名而来，催生更多源头创新成果。
