世界上第一台紧凑型X射线自由电子激光器将建在亚利桑那州立大学（ASU）。
美国国家科学基金会的（NSF）今天宣布向亚利桑那州立大学提供9080万美元的资金，用于推进X射线科学的突破性研究，这是该大学历史上最大的美国国家科学基金会研究奖。美国国家科学基金将支持一个为期五年的项目，来建造世界上第一个紧凑型X射线自由电子激光器，或称CXFEL。这个独一无二、房间大小的X射线激光器将满足研究人员探索复杂物质在原子长度和超高速下复杂性的关键需求。
CXFEL将使科学家们能够详细观察生物学分子进程——这些过程对于研究人类健康和开发新药非常重要。它还将帮助研究人员推进可再生能源研究、量子技术以及半导体研究和制造。此外，CXFEL将极大地缩小现有大型X射线自由电子激光器（XFEL）设施所使用的技术规模，使其能够被安置在大学、医疗或工业环境中。尺寸缩小后，更多的研究机构将能够以较低的成本获得这项技术。
“这一创新将直接使我们当地、国家和全球社区受益。”ASU校长Michael M. Crow说。“我们已经进入了一个新的阶段，使科学发现更加易于获取和更加经济。这是ASU迄今为止最重要的研究项目之一，它将在与世界重大挑战有关的许多关键领域产生积极影响。”
除了9080万美元的NSF拨款，该大学还将投资约8000万美元用于该仪器、相关基础设施、设备和其他支持。这约1.7亿美元 “将使ASU进入一个新的科学纪元”，Crow说。
CXFEL将被建造并安置在ASU生物设计研究所的紧凑型X射线自由电子激光实验室里，位于坦佩校区。一个由ASU工程师、科学家和学生组成的多元化团队已经合作了十年，为这个开拓创新、影响巨大的项目的实现奠定了基础。
该项目的首席科学家和主要研究人员比尔-格雷夫斯教授说：“我们团队为使CXFEL成为现实，做出了长久的努力，知道这一切正在得到回报让人激动又满足，我们对国家科学基金会的支持和亚利桑那州立大学具有前瞻性的领导表示感谢。我们相信我们将首次完全掌控X射线激光的特性，产生的光束可以探测自然界的量子极限。这对致力于揭开生物、化学、物理和新材料秘密的各种富有想象力的科学家来说将是一个福音。”
由于CXFEL技术的应用跨越了许多研究学科，因此其突破性发现的潜力是巨大的。
在医学领域，作为例证，CXFEL在分子尺度上制作图像和电影的能力可以揭示病毒（如SARS-CoV-2）如何攻击细胞或药物如何与靶蛋白结合。这可能会帮助人们找到更安全、更有效的药物，从而协同对抗新病或顽疾。另外，CXFEL可以揭示癌症等疾病的分子动态和结构，或者显示癌细胞躲避免疫系统的过程。
“CXFEL的激光X射线能力和可及性为科学创新提供了技术，对于推动科学的进步，意义非凡，”ASU生物设计研究所执行主任Joshua LaBaer说，“分子和材料科学将不再是以前的模样了。”
当前国内制造业是头等大事，CXFEL的强大成像能力也可以推动半导体设计，并可能带来更快捷、更有效的电子产品。亚利桑那州正在迅速发展为全球半导体中心，而CXFEL将同亚利桑那州立大学一起为此提供支持。
量子材料——其中的量子行为导致了新的特性——这些特性还未能完全被揭示，但对推动从磁存储器到新的传感和通信平台的技术发展至关重要。CXFEL可以帮助解读这些特殊材料的物理构造，使它们能够在一系列行业中得到应用。这些材料对量子计算和量子信息科学与技术至关重要。
“将这种变革性的创新带入世界是ASU的目的。新的CXFEL仪器的重要性以及它将对科学、人类健康和我们世界面临的许多关键问题产生的影响是巨大的。我们确实正在改变世界解决问题的方式。”亚利桑那州立大学知识企业部执行副总裁Sally C. Morton说。
△ 解释CXFEL工作原理的插图。亚利桑那州立大学提供
随着技术的进步，世界上许多发明的体积都在缩小，让更多人可以使用。想想计算机、电视和电话的作用——现在只需一个设备，智能手机，就可以轻松实现所有功能。
同样，现在的XFEL设备是巨大的——有一公里长（1公里=0.6英里）甚至更大——由于巨大规模，还要耗费数十亿美元的成本，全世界只有少数几个。ASU的设备将是紧凑的，只有10米（30英尺）长，提供超短脉X射线，让大学校园里更容易试验先进的X射线科学。
由于CXFEL的尺寸比大型XFEL小得多，而且成本相应较低，这种激光工具会让更多的科学家获得光束时间。该设施将提供给来自各种科学学科的国内外调查人员。
CXFEL将使科学家们能够确定我们视觉背后的分子过程、光合作用如何将光转化为能量的早期反应以及呼吸背后的的生物化学路径。该仪器以ASU名为CXLS的原型仪器的成功为基础，最近产生了它的第一批X射线。
CXFEL完成后，有望突破当前XFEL科学的界限。其性能的关键是它的可调谐性，有可能产生脉冲持续时间极短的X射线束，以进入阿托秒系统——不到十亿分之一秒的百万分之一。这提供了观察分子所需的分辨率，因为它们存在并在原子水平上相互作用。它的操作类似于高速相机的快门，可以捕捉蜂鸟的翅膀扇动，拍下看上去似乎静止的画面，或揭示马如何奔跑（实际上是在跳跃）。
△ CXFEL实验室首席科学家William (Bill) Graves站在用于建造CXLS的磁铁旁边，这是一个原型仪器。他说：”这为我们提供了新的工具，能够以不同的方式观察医学、半导体和各种成像。”照片由亚利桑那州立大学提供。
ASU CXFEL项目包括一个由教师、员工和学生组成的优秀团队，以及来自10所大学和研究机构的合作者。ASU的学生将继续在CXFEL设施的工作中发挥重要作用。一旦投入使用，CXFEL一半以上的劳动力将是学生，实践会将他们锻造成下一代X射线研究科学家。
CXFEL项目的领导团队包括:
● 威廉(比尔)-格雷夫斯，CXFEL的项目主管和主要研究人员。他是亚利桑那州立大学综合科学与艺术学院的教授和CXFEL加速器开发的领导者。
● 马克-霍尔，CXFEL的总工程师和副主任。霍尔负责技术和系统集成，并确保CXFEL的设计、制造和装配工作中的技术要求是一致的。
● 佩特拉-弗罗姆，CXFEL的科学主任。她是亚利桑那州立大学分子科学学院的执政教授，应用结构发现生物设计中心的主任和CXFEL生物学项目的负责人。
● 罗伯特-凯恩德尔，ASU的Beus CXFEL实验室主任和ASU物理系的教授。他领导CXFEL的验证阶段和向运营的过渡。
● 萨姆-泰特尔鲍姆，量子材料项目负责人和亚利桑那州立大学物理系助理教授。他在超快科学中实施了许多新技术。
● 阿尔文德-沙胡，亚利桑那州立大学物理系的原子、分子和光学项目负责人和教授。他还领导CXFEL的先进激光技术的开发。
● 大卫-温克尔，ASU的CXFEL项目经理。他负责使项目按计划和预算进行，管理风险并向美国国家科学基金会报告。
● 迪安娜-克拉克，CXFEL的运营助理主任。她负责管理项目的人员、采购和业务运作。
美国国家科学基金会的合作者包括哈佛大学(Harvard University)、堪萨斯州立大学(Kansas State University)、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)、亚利桑那大学(University of Arizona)、纽约州立大学布法罗分校(State University of New York at Buffalo)、加利福尼亚大学伯克利分校(University of California, Berkeley)、加利福尼亚大学戴维斯分校(University of California, Davis)、内布拉斯加大学林肯分校 (University of Nebraska, Lincoln)、威斯康星大学密尔沃基分校 (University of Wisconsin-Milwaukee)、劳伦斯伯克利国家实验室和SLAC国家加速器实验室。
这项建设奖励是之前在美国国家科学基金会中型研究RI-1计划下获得的470万美元奖励的后续，用于设计CXFEL。此外，Annette和已故的Leo Beus的1000万美元捐款支持了CXLS和ASU的CXFEL实验室的建设，以及ASU的重要基础设施投资。
生物设计研究所及其CXFEL实验室得到了亚利桑那州技术和研究倡议基金的部分支持。TRIF的投资使亚利桑那州各大学的数万名学生得到了实践培训，支持了数千项科学发现和专利技术，和数百家新兴创业公司。通过选民批准的公共支持，TRIF是发展亚利桑那州经济和为亚利桑那州居民提供工作、学习和发展机会的重要资源。
撰文 | Sandra Leander
编辑 | Anna Wei
来源 | ASU官网
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