自然現象や生命活動の根源を探ると、その多くは原子や分子の並びかたや動き、そしてそれらの集まりの中での電子の動きまでさかのぼります。原子や分子の配列と動きや、電子の動きを直接観察できれば、難病の原因解明と薬の創出、地球環境を悪化させる物質の抑制方法の確立など、私たちの生活の向上に大きく役立つと期待されています。病院の診断でもおなじみのX線は、1895年にレントゲンによって発見されたもので、可視光に比べとても波長が短い光であることから、原子や分子のレベルで物質の微細構造を観察するのに利用されてきました。 SPring-8は世界で最も強いX線光源ですが、それでも原子や分子の瞬間的な動きを観察するためには強度が足りません。非常に強い光を出す光源としてレーザーがあります。X線のレーザーができれば、原子や分子の瞬間的な動きを観察することができます。レーザーは位相の揃ったコヒーレントな光（波の山と山、谷と谷が揃った光）を発生し、様々な光技術に応用されていますが、従来のレーザー技術の延長で波長の短いX線レーザーを作ることは不可能でした。X線でのレーザーを作る方式として、従来の物質中での発光現象を使う方式ではなく、電子を高エネルギー加速器の中で制御して運動させ、それから出る光を利用する方式が提案されました。原子からはぎ取られた自由な電子を用いてX線レーザーを作ることから、X線自由電子レーザー（X-ray Free Electron Laser : XFEL）と呼ばれます。このXFELによって、原子や分子の瞬間的な動きを観察することが可能となります。