Европейский лазер на свободных электронах EuXFEL, являющийся сейчас самым большим в мире подобным лазером, начал ускорять первые электроны в 2015 году, а первые вспышки рентгеновского излучения были получены на этой установке в мае 2017 года. В сентябре прошлого года это грандиозное сооружение, построенное в недрах 3.4-километрового туннеля неподалеку от Гамбурга, Германия, было отдано в распоряжение ученых. И уже в августе этого года была опубликована первая научная работа, основанная на результатах, полученных при помощи лазера EuXFEL.

В настоящее время для проведения исследований доступны лишь два помещения, в которые проведены отдельные выходы рентгеновского излучения. Но к 2019 году у лазера EuXFEL будет уже шесть экспериментальных помещений, в которых ученые смогут использовать импульсы, вырабатываемые тремя независимыми рентгеновскими лазерами. Из-за ограниченных возможностей существующей системы охлаждения, «скорострельность» лазера EuXFEL ограничена сейчас 27 тысячами импульсов в секунду, но в будущем этот лазер сможет вырабатывать практически непрерывный поток импульсов – 1 миллион импульсов в секунду.

Сердцем лазера EuXFEL является 2.1-километровый линейный ускоритель, в котором установлено множество сверхпроводящих резонаторов. Высокочастотные радиоволны, поданные на элементы этих резонаторов, создают в них положительные и отрицательные электрические поля. Электроны попадают внутрь ловушки резонатора, когда на нем присутствует положительное электрическое поле, а смена полярности поля на отрицательную позволяет «выстрелить» этими электронами словно из пушки. И прохождение электронов через каждый резонатор снабжает их дополнительной энергией.

Электроны покидают ускоритель, обладая энергией в 17.5 гигаэлектронвольт, и подаются внутрь так называемого ондулятора, составленного из множества постоянных магнитов. Суммарное магнитное поле ондулятора имеет синусоидальную форму, по такой же траектории движутся и попавшие туда электроны. Каждый раз, когда электрон меняет направление движения, он теряет энергию, испуская фотон рентгеновского излучения. Все фотоны собираются, фокусируются и в результате вырабатывается короткий, мощный и острый как игла импульс рентгеновского излучения

Большое количество резонаторов позволяет ускорителю разгонять до 27 тысяч пучков электронов за один раз. Каждый из этих пучков, попадая в ондулятор, вырабатывает один рентгеновский импульс. Основным достоинством такого способа являются абсолютно идентичные параметры всех вырабатываемых импульсов, что обеспечивает более идеальные условия для проведения измерений и экспериментов, чем любой другой из существующих рентгеновских лазеров.

Идентичность вырабатываемых лазером EuXFEL импульсов позволяет ученым создавать «молекулярные и атомарные фильмы», позволяющие увидеть поведение атомов и молекул во время быстротечных химических реакций. Также, подобная съемка позволяет увидеть изменения в структуре материалов во время воздействия на них механических усилий, тепла, электромагнитного излучения или света.