X射线自由电子激光：原理、现状及应用

六、X 射线自由电子激光在材料科学中的应用

除了在生物体系结构测定中的广泛应用，相干衍射成像技术还能够对材料结构进行原位、定量、高分辨成像研究。XFEL产生超高亮度飞秒X射线脉冲不仅可以研究以前探测不到的超快微观结构动力学过程，还可以进行相干成像，获得材料纳米尺度结构演化的“3D电影”。从而极大地推动了人们对材料结构动力学和相变过程的研究。

　　
　　

图6.超快X射线相干衍射成像示意图

利用时间分辨X射线磁圆二色性方法，Boeglin等人研究了Co/Pd 合金材料在激光激发后磁矩的超快动力学过程，并得到了轨道磁矩和自旋磁矩各自不同的动力学。利用相干衍射成像技术并结合时间飞行质谱仪，Loh 等人实现了原位自由飞行状态下的气溶胶颗粒的形貌及化学组成分析。利用超快X射线相干衍射方法，Clark 等人首次观测到了单个金纳米晶体在皮秒时间尺度上的亚纳米尺度晶格动力学过程(如图6 所示)。Wehrenberg 等人利用原位X射线衍射方法在晶格水平上研究了体心立方金属钽在冲击波驱动下的微结构形变过程，发现孪晶的出现和相关的晶格旋转的时间尺度在几十皮秒量级。结合飞秒X射线散射和超快电子衍射方法，Reid 等人发现铁铂纳米粒子光照后的150飞秒左右消磁，磁化强度的改变反过来又推动了结构的变化并引起力学应变。除了能够探测材料的结构和动力学过程，XFEL 还有可能制造新的晶型。Abbey 等人利用聚焦的XFEL照射富勒烯晶体后获得了一种新类型的瞬态晶型。

七、总结与展望

近年来，XFEL已经在物理、化学、生命科学、材料科学等领域发挥了重要的作用，产生了重大的影响。基于超导直线加速器的高重复频率XFEL是未来的发展方向，其平均亮度比低重复频率XFEL装置提高了3 个数量级。目前在建的上海高重复频率硬X射线自由电子激光装置(SHINE)重复频率高达1MHz，不但将大大提高已有实验方法的效率，而且将使一些新的实验方案成为可能，有望产生更多有影响力的新成果，并催生一系列新奇现象的出现。可以预见，随着XFEL的不断发展与改进，我们相信它将促进基础学科研究的发展、重大科学问题的解决以及尖端技术的发明，使人类对于物质世界的探索进入一个全新的时代。