Wiele najgłębszych tajemnic naukowych leży ukryte w skali mikroskopowej. Aby odkryć te tajemnice, naukowcy z całego świata zbierają się w krajowym laboratorium Linear Accelerator Center (SLAC) Departamentu Energii Stanford (SLAC) w celu zbadania przy użyciu liniowego spójnego źródła światła (LCLS).
LCLS działa jak gigantyczny mikroskop, emitujący ultra jasne impulsy rentgenowskie i kierując je na różne precyzyjne instrumenty naukowe. Naukowcy używają go do przechwytywania chwilowego ruchu atomów, śledzenia dynamiki reakcji chemicznych w czasie rzeczywistym, odkrywania unikalnych właściwości materiałów i uzyskania wglądu w podstawowe mechanizmy życia. Po ponad dekadzie udanej operacji LCLS zakończyło krytyczne aktualizację znaną jako LCLS-II. Ulepszony system zwiększa wskaźnik powtórzeń impulsów rentgenowskich z 120 razy na sekundę do zadziwiającego 1 miliona razy na sekundę, co stanowi prawie dziesięciokrotny wzrost. Ten skok naprzód powoduje nową generację sprzętu eksperymentalnego i metod badawczych, umożliwiając naukowcom rozwiązywanie najnowocześniejszych pytań naukowych, które kiedyś rozpatrywano poza zasięgiem.
Schwytanie skutecznych fotonów: skok z dni do momentów
Wśród różnych instrumentów badawczych spektrometry QRIXS i Chemrixs wykorzystują technologię rozpraszania rentgenowskiego rezonansowego (RIXS). Technologia ta działa poprzez oświetlenie próbki za pomocą impulsów rentgenowskich, ekscytując jej elektrony wewnętrzne; Kiedy elektrony wracają do stanu stabilnego, uwalniają energię w postaci fotonów. Analizując te emitowane fotony, naukowcy mogą zrekonstruować pośrednie procesy reakcji i dokładnie zbadać właściwości elektroniczne materiałów kwantowych.
Georgi Dakovski, główny naukowiec w SLAC i szef instrumentu Qrixs, wyjaśnia, że RIXS jest techniką pomiarową o wyjątkowo niskiej wydajności sygnału. W eksperymentach zdecydowana większość padających fotonów rentgenowskich jest wchłaniana lub rozproszona przez próbkę i nigdy nie dociera do detektora. Średnio tylko jeden na miliard incydentów fotonów wytwarza skuteczny sygnał, który można skutecznie wykryć. Georgi Dakovski stwierdza: Przy pierwotnej częstotliwości pulsu LCLS uchwycenie nawet najmniejszego skutecznego fotonu było formą sztuki, ponieważ musieliśmy długo czekać, aby zgromadzić wystarczające dane ”.
Jednak LCLS wytwarza teraz impulsy rentgenowskie z prędkością 100 do 10 000 razy wyższą na sekundę. Pomiary RIXS, które raz zajął dni do ukończenia, można teraz uzyskać w ciągu kilku minut lub nawet sekund.
Georgi Dakovski powiedział: „Ta poprawa przyniosła niezwykłe zmiany. Nie tylko wzrosła szybkość pozyskiwania danych, ale jasność jest również bezprecedensowa. Możemy teraz obserwować w czasie rzeczywistym, w jaki sposób materiały w czasie przekształcają się, a wszystko to za tym, że to znaczące, aby zająć się remontami. Częstotliwość pulsu. "
Georgi Dakovski stoi obok instrumentu Qrixs
Tej wiosny, po zakończeniu aktualizacji, instrument Qrixs zadebiutował. Jest to masywne urządzenie wyposażone w 12-metrowy spektrometr zdolny do obracania 110 stopni, wykorzystujący technologię RIXS do badania dynamiki kwantowej krystalicznych materiałów w stanie stałym. Jego duży rozmiar umożliwia naukowcom analizę materiałów o wyjątkowo wysokiej rozdzielczości pod wieloma kątami, ale wymaga również dużego wkładu promieni rentgenowskich w celu uzyskania wysokiej jakości danych. Możliwości te od dawna są pilne potrzebę społeczności użytkowników LCLS, ale ze względu na wyjątkowo wysokie wymagania fotonów dopiero teraz stały się one wykonalne.
Naukowcy używają teraz QRIX do badania materiałów, takich jak nadprzewodnicy o wysokiej temperaturze, które mogą przenosić energię elektryczną o zerowej utraty energii. Głębsze zrozumienie podstawowych zjawisk kwantowych może zwiększyć rozwój bardziej wydajnych komputerów kwantowych, poprawić sprzęt do obrazowania rezonansu magnetycznego (MRI) do użytku medycznego i umożliwić realizację potencjalnych sieci transmisji energii na dużą skalę.
Kristjan Kunnus z instrumentem Chemrixs
Podczas gdy QRIX są wykorzystywane przede wszystkim do badań materiałów kwantowych, Chemrixs jest specjalnie zaprojektowany do analizy właściwości chemicznych próbek cieczy, od ultra-pure wody po rozpuszczalniki chemiczne. Chemrixs zapewnia naukowcom szczegółowy wgląd w procesy chemiczne, takie jak pośrednie etapy fotosyntezy, które mogą potencjalnie doprowadzić do opracowania sztucznych systemów fotosyntezy w przyszłości.
Chemrixs został zainstalowany w 2021 r. I działa na linii wiązki LCLS od kilku lat, gromadząc dużą ilość danych. Kristjan Kunnus, naukowiec SLAC i główny badacz instrumentu Chemrixs, stwierdził, że znaczny wzrost intensywności rentgenowskiej przyniesionej przez LCLS-II znacznie rozszerzył potencjał badawczy urządzenia. Powiedział: „Wcześniej nie mogliśmy zbadać solwatów o niskim stężeniu i musieliśmy stosować próbki o wyższym stężeniu, które nie odzwierciedlały w pełni procesów chemicznych w rzeczywistych warunkach. Teraz możemy analizować rozcieńczone próbki, które są naprawdę ważne w zastosowaniach chemicznych i nadal uzyskiwać dane wysokiej jakości, które były po prostu niemożliwe w przeszłości”.
Uchwycenie filmów molekularnych: śledzenie reakcji chemicznych na trylionach sekundy
W rozdzielczości czasowej nauk atomowych, molekularnych i fotonicznych (TMO), wiele nowych instrumentów wykorzystuje ulepszone możliwości LCLS-II w celu zbadania, w jaki sposób elektrony inicjują różne procesy biologii, chemii i nauk o materiałach. Jednym z nich jest instrument „pudełka z ciasteczkami” (MRCO), którego rdzeniem jest tablica pierścienia 16 detektorów elektronów zaprojektowanych w celu pełnego wykorzystania wyższej szybkości powtarzania LCLS. Łącząc ten zaawansowany system z ultraszybkimi impulsami laserowymi LCLS, naukowcy mogą precyzyjnie wskazać moment, gdy elektrony uciekają z cząsteczek i mierzyć widmo energii i rozkład kątowy uciekających elektronów z wyjątkowo wysoką precyzją. Pomiary te umożliwiają naukowcom rozwiązanie przenoszenia ładunku i energii w układach molekularnych w naturalnych skalach czasowych tak krótkich jak jeden bilionowy sekundy. Ostatecznie takie badania nie tylko testują granice teorii kwantowej, ale także zapewniają kluczowe informacje na temat projektowania bardziej wydajnych katalizatorów i paliw.
Razib Obaid, naukowiec SLAC i szef instrumentu MRCO, stwierdził: nie jesteśmy już ograniczeni przez wąskie „okno obserwacyjne” przeszłości; To ulepszenie rozszerzyło granice naukowe, które możemy zbadać w każdym eksperymencie ”.
Jednym z nowych członków stacji terminali TMO jest dynamiczny mikroskop reakcyjny (Dream). Jak sama nazwa wskazuje, Dream jest potężnym mikroskopem reakcyjnym, który umożliwia badaczom obserwowanie stanu poszczególnych cząsteczek podczas transformacji chemicznych. Instrument koncentruje wiązkę rentgenowską na jednej cząsteczce, stopniowo usuwając swoje elektronę, aż cząsteczka „eksploduje”, z całkowitymi wiązaniami chemicznymi. Powstałe fragmenty są następnie wykrywane i wykorzystywane do rekonstrukcji strukturalnej mapy strukturalnej o wysokiej rozdzielczości. Zgromadzenie milionów takich obrazów, naukowcy mogą ostatecznie skonstruować „film” na poziomie molekularnym reakcji chemicznej.
James Cryan, starszy naukowiec w SLAC i szef instrumentu TMO, stwierdził: „Ten sprzęt pozwala nam zrozumieć zjawiska na najbardziej fundamentalnym poziomie, takie jak procesy fotochemiczne, takie jak widzenie, konwersja energii słonecznej i fotosynteza, w jaki sposób DNA przenosi energię podczas pochłaniania światła, i jak elektrony przechodzą od jednej strony cząsteczki do drugiej”.
Ta przełomowa technologia opiera się całkowicie na szybkiej częstotliwości impulsu LCLS. Aby w pełni uchwycić pojedynczą reakcję molekularną, naukowcy muszą robić zdjęcia z prawie miliona różnych stron, co oznacza miliony ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie. W 2020 r. Zespół zbudował prototyp na istniejącej linii wiązki do weryfikacji możliwości. Spędzili tydzień na zbieraniu danych, ale mogli wygenerować tylko jedną ramkę folii molekularnej.
James Cryan powiedział: „W pierwotnych warunkach mogło zająć lata, aby w pełni rozwiązać jedną reakcję. Teraz, wraz z ulepszoną linią wiązki LCLS, możemy obserwować te procesy w zupełnie nowy sposób. To ulepszenie jest punktem zwrotnym, co czyni wcześniej niemożliwymi badaniami rzeczywistością”.
Znaczny wzrost zdolności gromadzenia danych w LCLS nie tylko wywołał nowe metody badawcze, ale także wygenerował ogromne ilości danych do szkolenia podstawowych modeli AI. Te modele AI mogą pomóc badaczom bardziej efektywnie gromadzić dane w celu eksploracji nowych materiałów i zapewnienia operatorom w czasie rzeczywistym podczas regulacji linii wiązki. Matthias Kling, dyrektor ds. Badań i rozwoju LCLS, stwierdził: „Głęboka integracja tej technologii AI niewątpliwie zmieni krajobraz badań i przyspieszy tempo odkrycia naukowego”.
Dzięki zwiększonej wydajności i nowego systemu oprzyrządowania, aktualizacja LCLS-II znacznie rozszerzyła zakres badań LCLS. Badacze analizują obecnie dane z pierwszych eksperymentów i planują przeprowadzić więcej eksperymentów w tym roku. Oczekuje się, że odkrycia naukowe umożliwione przez te zaawansowane obiekty jeszcze bardziej pogłębią zrozumienie ludzkości podstawowych procesów kształtujących świat.
