Laser rentgenowski emitujący najsilniejszy impuls w historii!

Niedawno naukowcy z SLAC National Accelerator Laboratory dokonali przełomu w dziedzinie badań naukowych. Wykorzystali ośrodek Linear Accelerator Coherent Light Source (LCLS-II) w Kalifornii, aby pomyślnie uruchomić najpotężniejszy jak dotąd impuls rentgenowski.
Czas trwania tego impulsu był tak krótki, że w ciągu zaledwie 4,4 bilionowych części sekundy (attosekund) wytworzył on prawie 1 terawat energii - 1,000 razy więcej niż średnia roczna produkcja energii przez elektrownię jądrową.
LCLS-II to ulepszona wersja Linear Coherent Light Source, znajdującego się w SLAC National Accelerator Laboratory, należącym do amerykańskiego Departamentu Energii, obok Uniwersytetu Stanforda w Menlo Park w Kalifornii. Urządzenie wykorzystuje technologię lasera na swobodnych elektronach do przyspieszania wiązki elektronów do prędkości bliskiej prędkości światła i oscylowania wiązki przez szereg pól magnetycznych w celu emisji intensywnych promieni rentgenowskich. Te promienie rentgenowskie mogą być używane do obrazowania małych obiektów, takich jak cząsteczki, w celu obserwacji interakcji między atomami w ich wnętrzu.
LCLS-II może emitować do miliona impulsów rentgenowskich na sekundę, 8,000 razy więcej niż wcześniejsze lasery LCLS. Gdy połączy się zwiększoną częstotliwość impulsów ze zwiększoną liczbą elektronów na impuls, nowe urządzenie jest ponad 10,000 razy jaśniejsze od swojego poprzednika.
Co ciekawe, LCLS-II może emitować do 1 miliona impulsów rentgenowskich na sekundę, co stanowi 8,000-krotny wzrost w porównaniu z poprzednim laserem LCLS. W połączeniu ze zwiększoną częstotliwością impulsów i większą liczbą elektronów na impuls, nowe urządzenie jest ponad 10,000 razy jaśniejsze od swojego poprzednika. Ponadto urządzenie może wytwarzać krótkie impulsy o długości od 10-50 femtosekund, przy czym czas trwania impulsu wynosi do 250 femtosekund w przypadku promieni rentgenowskich o niskiej energii, a nawet jest w stanie wytwarzać bardzo krótkie impulsy o długości mniejszej niż 10 femtosekund.
Dzięki tak krótkim długościom fal, krótkim impulsom i szybkim powtórzeniom laserów naukowcy mogą używać urządzenia do obserwowania zachodzących reakcji chemicznych. Zasadniczo każdy impuls może obrazować konfigurację atomów biorących udział w reakcji, a następnie obrazy te można połączyć, aby stworzyć efekt podobny do molekularnego „filmu claymation”. W 2018 r. obiekt LCLS pomyślnie wyprodukował film ludzkiego wzroku i procesów chemicznych zachodzących w fotosyntezie w ciągu zaledwie 1,000 femtosekundy.
LCLS-II nie tylko ma zdolność obrazowania małych obiektów, ale także dokładność do 1 angstroma (10^-10 metrów). Ta zdolność pozwoli naukowcom zagłębić się w procesy atomowe w dziedzinach od systemów biologicznych po fotowoltaikę i ogniwa paliwowe. Jednocześnie urządzenie laserowe pomoże naukowcom dalej badać zjawiska fizyczne, takie jak nadprzewodnictwo, ferroelektryczność i magnetyzm.
Jednym z kluczowych elementów modernizacji jest instalacja pewnej rewolucyjnej technologii. Podczas gdy wcześniejsze pedały gazu działały w temperaturze pokojowej, ulepszony LCLS-II wykorzystuje nadprzewodzący zespół pedałów gazu, co pozwala mu działać w temperaturach tak niskich, jak bliskie zera absolutnego (-456 stopnia F lub -271 stopnia ). LCLS-II ma również lepsze magnesy do wychylania wiązki elektronów.
Chociaż LCLS-II dopiero zaczyna działać, sukces wczesnych pedałów gazu LCLS dał badaczom powody do optymizmu. Ponad 3,000 naukowców korzystało z tego urządzenia, publikując ponad 1450 artykułów. Przyszłe zastosowania tego potężnego emitera impulsów rentgenowskich są obiecujące i oczekuje się, że wniosą nowe spostrzeżenia i przełomy do dziedziny badań naukowych.