Πολλά από τα βαθύτερα μυστήρια της επιστήμης βρίσκονται κρυμμένα στην μικροσκοπική κλίμακα. Για να αποκαλύψουν αυτά τα μυστήρια, οι ερευνητές από όλο τον κόσμο συγκεντρώνονται στο Εθνικό Εργαστήριο του Κέντρου Γραμμικής Επιταχυντής (SLAC) του Υπουργείου Ενέργειας (SLAC) για να διερευνήσουν τη χρήση της γραμμικής συνεκτικής πηγής φωτός (LCLS).
Το LCLS λειτουργεί σαν ένα γιγαντιαίο μικροσκόπιο, εκπέμποντας εξαιρετικά λαμπερά παλμούς ακτίνων Χ και κατευθύνοντας τα σε διάφορα επιστημονικά μέσα ακριβείας. Οι επιστήμονες το χρησιμοποιούν για να συλλάβουν τη στιγμιαία κίνηση των ατόμων, να παρακολουθούν τη δυναμική των χημικών αντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο, να αποκαλύψουν τις μοναδικές ιδιότητες των υλικών και να αποκτήσουν γνώσεις στους θεμελιώδεις μηχανισμούς της ζωής. Μετά από πάνω από μια δεκαετία επιτυχούς λειτουργίας, το LCLS έχει ολοκληρώσει μια κρίσιμη αναβάθμιση γνωστή ως LCLS-II. Το αναβαθμισμένο σύστημα αυξάνει το ποσοστό επανάληψης των παλμών ακτίνων Χ από 120 φορές ανά δευτερόλεπτο σε ένα εκπληκτικό 1 εκατομμύριο φορές ανά δευτερόλεπτο, σχεδόν δέκα φορές αύξηση. Αυτό το άλμα προς τα εμπρός οδηγεί σε μια νέα γενιά πειραματικών μεθόδων εξοπλισμού και ερευνών, επιτρέποντας στους επιστήμονες να αντιμετωπίσουν επιστημονικά ερωτήματα αιχμής που κάποτε θεωρήθηκαν μακριά.
Καταγραφή αποτελεσματικών φωτόνων: ένα άλμα από μέρες σε στιγμές
Μεταξύ των διαφόρων ερευνητικών μέσων, τα φασματόμετρα QRIXS και Chemrixs χρησιμοποιούν τεχνολογία συντονιστικής ανελαστικής ακτίνων Χ (RIXS). Αυτή η τεχνολογία λειτουργεί φωτίζοντας ένα δείγμα με παλμούς ακτίνων Χ, συναρπαστικό τα ηλεκτρόνια του εσωτερικού κελύφους. Όταν τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στη σταθερή τους κατάσταση, απελευθερώνουν ενέργεια με τη μορφή φωτονίων. Αναλύοντας αυτά τα εκπεμπόμενα φωτόνια, οι ερευνητές μπορούν να ανακατασκευάσουν τις ενδιάμεσες διεργασίες της αντίδρασης και να διερευνήσουν με ακρίβεια τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των κβαντικών υλικών.
Ο Georgi Dakovski, επικεφαλής επιστήμονας στο SLAC και επικεφαλής του οργάνου Qrixs, εξηγεί ότι το Rixs είναι μια τεχνική μέτρησης με εξαιρετικά χαμηλή απόδοση σήματος. Σε πειράματα, η συντριπτική πλειονότητα των φωτονίων ακτίνων Χ από περιστατικά απορροφάται ή διασκορπίζεται από το δείγμα και δεν φτάνει ποτέ στον ανιχνευτή. Κατά μέσο όρο, μόνο ένα από τα φωτόνια από κάθε δισεκατομμύριο περιστατικά παράγει ένα αποτελεσματικό σήμα που μπορεί να ανιχνευθεί με επιτυχία. Ο Georgi Dakovski δηλώνει: Στην αρχική συχνότητα παλμών των LCLs, η καταγραφή ακόμη και το παραμικρό αποτελεσματικό φωτόνιο ήταν μια μορφή τέχνης, καθώς έπρεπε να περιμένουμε πολύ χρόνο για να συσσωρεύσουμε επαρκή δεδομένα ".
Ωστόσο, το LCLS παράγει τώρα παλμούς ακτίνων Χ με ρυθμό 100 έως 10.000 φορές υψηλότερο ανά δευτερόλεπτο. Οι μετρήσεις Rixs που κάποτε χρειάστηκαν ημέρες για να ολοκληρωθούν μπορούν τώρα να ληφθούν σε λίγα λεπτά ή ακόμα και δευτερόλεπτα.
Ο Georgi Dakovski δήλωσε: "Αυτή η βελτίωση έχει επιφέρει αξιοσημείωτες αλλαγές, όχι μόνο η ταχύτητα της απόκτησης δεδομένων αυξήθηκε σημαντικά, αλλά η σαφήνεια είναι επίσης πρωτοφανής από το πλαίσιο, και τώρα μπορούμε να παρατηρήσουμε σε πραγματικό χρόνο πώς τα υλικά μετασχηματίζουν με την πάροδο του χρόνου, η μετάδοση της ενεργειακής ενέργειας μέσα στο υλικό και η παρακολούθηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατομικών εξαρτημάτων. συχνότητα παλμών. "
Ο Georgi Dakovski βρίσκεται δίπλα στο όργανο Qrixs
Αυτή την άνοιξη, μετά την ολοκλήρωση των αναβαθμίσεων, το όργανο QRIXS έκανε το ντεμπούτο του. Πρόκειται για μια μαζική συσκευή εξοπλισμένη με φασματόμετρο μήκους 12 ποδιών ικανό να περιστρέφει 110 μοίρες, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία RIXS για να μελετήσει την κβαντική δυναμική των κρυσταλλικών υλικών στερεάς κατάστασης. Το μεγάλο μέγεθος του επιτρέπει στους επιστήμονες να αναλύουν τα υλικά σε εξαιρετικά υψηλή ανάλυση από πολλαπλές γωνίες, αλλά απαιτούν επίσης μια μεγάλη είσοδο ακτίνων Χ για να αποκτήσουν δεδομένα υψηλής ποιότητας. Αυτές οι δυνατότητες είναι από καιρό μια πιεστική ανάγκη για την κοινότητα των χρηστών LCLS, αλλά λόγω των εξαιρετικά υψηλών απαιτήσεων φωτονίων, έχουν γίνει μόνο εφικτές.
Οι ερευνητές χρησιμοποιούν τώρα QRIXS για να μελετήσουν υλικά όπως υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας, τα οποία μπορούν να μεταδώσουν ηλεκτρική ενέργεια με μηδενική απώλεια ενέργειας. Η βαθύτερη κατανόηση των υποκείμενων κβαντικών φαινομένων θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών κβαντικών υπολογιστών, να βελτιώσει τον εξοπλισμό απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI) για ιατρική χρήση και να επιτρέψει την υλοποίηση πιθανών δικτύων μετάδοσης ισχύος χωρίς απώλειες σε μεγάλη κλίμακα.
Kristjan Kunnus με το όργανο Chemrixs
Ενώ το QRIXS χρησιμοποιείται κυρίως για την έρευνα κβαντικών υλικών, το Chemrixs έχει σχεδιαστεί ειδικά για να αναλύει τις χημικές ιδιότητες των υγρών δειγμάτων, που κυμαίνονται από εξαιρετικά έντονο νερό έως χημικούς διαλύτες. Το Chemrixs παρέχει στους ερευνητές λεπτομερείς γνώσεις για τις χημικές διεργασίες, όπως τα ενδιάμεσα βήματα της φωτοσύνθεσης, τα οποία θα μπορούσαν ενδεχομένως να οδηγήσουν στην ανάπτυξη τεχνητών συστημάτων φωτοσύνθεσης στο μέλλον.
Το Chemrixs εγκαταστάθηκε το 2021 και λειτουργεί στη γραμμή δέσμης LCLS για αρκετά χρόνια, συσσωρεύοντας ένα μεγάλο αριθμό δεδομένων. Ο Kristjan Kunnus, επιστήμονας SLAC και ο κύριος ερευνητής για το όργανο Chemrixs, δήλωσε ότι η σημαντική αύξηση της έντασης των ακτίνων Χ που έφερε η LCLS-II έχει επεκτείνει σημαντικά το ερευνητικό δυναμικό της συσκευής. Είπε: "Προηγουμένως, δεν μπορούσαμε να μελετήσουμε διαλύματα χαμηλής συγκέντρωσης και έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε δείγματα υψηλότερης συγκέντρωσης, τα οποία δεν αντικατοπτρίζουν πλήρως τις χημικές διεργασίες υπό συνθήκες πραγματικού κόσμου.
Συγκεντρώνοντας μοριακές ταινίες: Παρακολούθηση χημικών αντιδράσεων στο τρισεκατομμύριο ενός δευτερολέπτου
Κατά τη διάρκεια του χρόνου που επιλύθηκαν οι ατομικές, μοριακές και φωτονικές επιστήμες (TMO), πολλαπλά νέα όργανα αξιοποιούν τις αναβαθμισμένες δυνατότητες του LCLS-II για να μελετήσουν τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια ξεκινούν διάφορες διαδικασίες στη βιολογία, τη χημεία και την επιστήμη των υλικών. Ένα από αυτά είναι το όργανο πολλαπλής ανάλυσης "κουτί μπισκότων" (MRCO), του οποίου ο πυρήνας είναι μια σειρά δακτυλίων 16 ανιχνευτών ηλεκτρονίων που έχουν σχεδιαστεί για να αξιοποιήσουν πλήρως το υψηλότερο ποσοστό επανάληψης του LCLS. Συνδυάζοντας αυτό το προηγμένο σύστημα με τους εξαιρετικά γρήγορους παλμούς λέιζερ της LCLS, οι ερευνητές μπορούν να εντοπίσουν με ακρίβεια τη στιγμή που η Electrons διαφεύγει από τα μόρια και να μετρήσει το ενεργειακό φάσμα και τη γωνιακή κατανομή των ηλεκτρονίων διαφυγής με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια. Αυτές οι μετρήσεις επιτρέπουν στους επιστήμονες να επιλύσουν τη μεταφορά φορτίου και ενέργειας εντός των μοριακών συστημάτων σε φυσικά χρονοδιαγράμματα τόσο μικρά όσο ένα τρισεκατομμύριο του δευτερολέπτου. Τελικά, αυτή η έρευνα όχι μόνο δοκιμάζει τα όρια της κβαντικής θεωρίας, αλλά παρέχει επίσης κρίσιμες γνώσεις για το σχεδιασμό πιο αποτελεσματικών καταλυτών και καυσίμων.
Ο Razib Obaid, επιστήμονας SLAC και επικεφαλής του οργάνου MRCO, δήλωσε: Δεν περιορίζουμε πλέον το στενό παράθυρο παρατήρησης του παρελθόντος. Αυτή η αναβάθμιση έχει επεκτείνει τα επιστημονικά όρια που μπορούμε να διερευνήσουμε σε κάθε πείραμα. "
Ένα από τα νέα μέλη του TMO Terminal Station είναι το μικροσκόπιο δυναμικής αντίδρασης (Dream). Όπως υποδηλώνει το όνομα, το όνειρο είναι ένα ισχυρό μικροσκόπιο αντίδρασης που επιτρέπει στους ερευνητές να παρατηρούν την κατάσταση των μεμονωμένων μορίων κατά τη διάρκεια των χημικών μετασχηματισμών. Το όργανο εστιάζει μια δέσμη ακτίνων Χ σε ένα μόνο μόριο, απομακρύνοντας σταδιακά τα ηλεκτρόνια του έως ότου το μόριο "εκρήγνυται", με όλους τους χημικούς δεσμούς να σπάσουν εντελώς. Στη συνέχεια, τα προκύπτοντα θραύσματα ανιχνεύονται και χρησιμοποιούνται για την ανασυγκρότηση ενός δομικού χάρτη υψηλής ανάλυσης του μορίου. Με τη συσσώρευση εκατομμυρίων τέτοιων εικόνων, οι ερευνητές μπορούν τελικά να κατασκευάσουν μια ταινία μοριακού επιπέδου της χημικής αντίδρασης.
Ο James Cryan, ανώτερος επιστήμονας στο SLAC και επικεφαλής του οργάνου TMO, δήλωσε: "Αυτός ο εξοπλισμός μας επιτρέπει να κατανοήσουμε τα φαινόμενα στο πιο θεμελιώδες επίπεδο, όπως ο τρόπος με τον οποίο οι φωτοχημικές διεργασίες όπως η όραση, η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας και η φωτοσύνθεση ξεδιπλώνονται, ο τρόπος με τον οποίο το DNA μεταφέρει την ενέργεια όταν απορροφά το φως και τα ηλεκτρόνια από τη μία πλευρά ενός μοριακού μοριακού.
Αυτή η τεχνολογία Breakthrough βασίζεται εξ ολοκλήρου στη συχνότητα παλμών υψηλής ταχύτητας της LCLS. Για να καταγράψουν πλήρως μια μοναδική μοριακή αντίδραση, οι ερευνητές πρέπει να τραβήξουν εικόνες από σχεδόν ένα εκατομμύριο διαφορετικές γωνίες, πράγμα που σημαίνει εκατομμύρια εκθέσεις ακτίνων Χ. Το 2020, η ομάδα δημιούργησε ένα πρωτότυπο στην υπάρχουσα γραμμή δέσμης για επαλήθευση ικανοτήτων. Πέρασαν μια εβδομάδα συλλέγοντας δεδομένα, αλλά μπορούσαν να δημιουργήσουν μόνο ένα μόνο πλαίσιο της μοριακής μεμβράνης.
Ο James Cryan είπε: "Κάτω από τις αρχικές συνθήκες, ίσως χρειάστηκαν χρόνια για να επιλυθεί πλήρως μια ενιαία αντίδραση.
Η σημαντική αύξηση της ικανότητας συλλογής δεδομένων στο LCLS όχι μόνο δημιούργησε νέες μεθόδους έρευνας, αλλά επίσης δημιούργησε τεράστιες ποσότητες δεδομένων για την κατάρτιση των θεμελιωδών μοντέλων AI. Αυτά τα μοντέλα AI μπορούν να βοηθήσουν τους ερευνητές να συλλέγουν δεδομένα πιο αποτελεσματικά για να εξερευνήσουν νέα υλικά και να παρέχουν βοήθεια σε πραγματικό χρόνο στους χειριστές κατά τη διάρκεια προσαρμογών δέσμης. Ο Matthias Kling, Διευθυντής Έρευνας και Ανάπτυξης LCLS, δήλωσε: "Η βαθιά ενσωμάτωση αυτής της τεχνολογίας AI αναμφισβήτητα θα αναμορφώσει το ερευνητικό τοπίο και θα επιταχύνει τον ρυθμό της επιστημονικής ανακάλυψης".
Με βελτιωμένη απόδοση και νέο σύστημα οργάνων, η αναβάθμιση LCLS-II έχει επεκτείνει σημαντικά το πεδίο εφαρμογής της έρευνας LCLS. Οι ερευνητές αναλύουν επί του παρόντος δεδομένα από τα πρώτα πειράματα και σχεδιάζουν να διεξάγουν περισσότερα πειράματα φέτος. Οι επιστημονικές ανακαλύψεις που επιτρέπουν αυτές τις προηγμένες εγκαταστάσεις αναμένεται να εμβαθύνουν περαιτέρω την κατανόηση της ανθρωπότητας για τις θεμελιώδεις διαδικασίες που διαμορφώνουν τον κόσμο.
