六、X 射線自由電子激光在材料科學(xué)中的應(yīng)用

除了在生物體系結(jié)構(gòu)測定中的廣泛應(yīng)用，相干衍射成像技術(shù)還能夠?qū)Σ牧辖Y(jié)構(gòu)進(jìn)行原位、定量、高分辨成像研究。XFEL產(chǎn)生超高亮度飛秒X射線脈沖不僅可以研究以前探測不到的超快微觀結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)過程，還可以進(jìn)行相干成像，獲得材料納米尺度結(jié)構(gòu)演化的“3D電影”。從而極大地推動(dòng)了人們對材料結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和相變過程的研究。

　　
　　

圖6.超快X射線相干衍射成像示意圖

利用時(shí)間分辨X射線磁圓二色性方法，Boeglin等人研究了Co/Pd 合金材料在激光激發(fā)后磁矩的超快動(dòng)力學(xué)過程，并得到了軌道磁矩和自旋磁矩各自不同的動(dòng)力學(xué)。利用相干衍射成像技術(shù)并結(jié)合時(shí)間飛行質(zhì)譜儀，Loh 等人實(shí)現(xiàn)了原位自由飛行狀態(tài)下的氣溶膠顆粒的形貌及化學(xué)組成分析。利用超快X射線相干衍射方法，Clark 等人首次觀測到了單個(gè)金納米晶體在皮秒時(shí)間尺度上的亞納米尺度晶格動(dòng)力學(xué)過程(如圖6 所示)。Wehrenberg 等人利用原位X射線衍射方法在晶格水平上研究了體心立方金屬鉭在沖擊波驅(qū)動(dòng)下的微結(jié)構(gòu)形變過程，發(fā)現(xiàn)孿晶的出現(xiàn)和相關(guān)的晶格旋轉(zhuǎn)的時(shí)間尺度在幾十皮秒量級(jí)。結(jié)合飛秒X射線散射和超快電子衍射方法，Reid 等人發(fā)現(xiàn)鐵鉑納米粒子光照后的150飛秒左右消磁，磁化強(qiáng)度的改變反過來又推動(dòng)了結(jié)構(gòu)的變化并引起力學(xué)應(yīng)變。除了能夠探測材料的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過程，XFEL 還有可能制造新的晶型。Abbey 等人利用聚焦的XFEL照射富勒烯晶體后獲得了一種新類型的瞬態(tài)晶型。

七、總結(jié)與展望

近年來，XFEL已經(jīng)在物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用，產(chǎn)生了重大的影響�；�于超導(dǎo)直線加速器的高重復(fù)頻率XFEL是未來的發(fā)展方向，其平均亮度比低重復(fù)頻率XFEL裝置提高了3 個(gè)數(shù)量級(jí)。目前在建的上海高重復(fù)頻率硬X射線自由電子激光裝置(SHINE)重復(fù)頻率高達(dá)1MHz，不但將大大提高已有實(shí)驗(yàn)方法的效率，而且將使一些新的實(shí)驗(yàn)方案成為可能，有望產(chǎn)生更多有影響力的新成果，并催生一系列新奇現(xiàn)象的出現(xiàn)。可以預(yù)見，隨著XFEL的不斷發(fā)展與改進(jìn)，我們相信它將促進(jìn)基礎(chǔ)學(xué)科研究的發(fā)展、重大科學(xué)問題的解決以及尖端技術(shù)的發(fā)明，使人類對于物質(zhì)世界的探索進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。