Λέιζερ ακτίνων Χ που εκπέμπει τον πιο ισχυρό παλμό ποτέ!

Πρόσφατα, οι επιστήμονες του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντή SLAC έκαναν μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της επιστημονικής έρευνας. Χρησιμοποίησαν την εγκατάσταση Linear Accelerator Coherent Light Source (LCLS-II) στην Καλιφόρνια για να εκτοξεύσουν με επιτυχία τον πιο ισχυρό παλμό ακτίνων Χ μέχρι σήμερα.
Η διάρκεια αυτού του παλμού ήταν τόσο μικρή που σε μόλις 4,4 τρισεκατομμύρια του δευτερολέπτου (αττοδευτερόλεπτα) παρήγαγε σχεδόν 1 terawatt ενέργειας - 1,000 φορές περισσότερο από τη μέση ετήσια παραγωγή ενέργειας ενός πυρηνικού σταθμού .
Το LCLS-II είναι μια αναβαθμισμένη έκδοση της Γραμμικής Συνεκτικής Πηγής Φωτός, που στεγάζεται στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών SLAC του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, δίπλα στο Πανεπιστήμιο Στάνφορντ στο Μένλο Παρκ της Καλιφόρνια. Η συσκευή χρησιμοποιεί τεχνολογία λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων για να επιταχύνει μια δέσμη ηλεκτρόνια κοντά στην ταχύτητα του φωτός και ταλαντώνουν τη δέσμη μέσω μιας σειράς μαγνητικών πεδίων για να εκπέμπουν έντονες ακτίνες Χ. Αυτές οι ακτίνες Χ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απεικόνιση μικροσκοπικών αντικειμένων, όπως τα μόρια, για την παρατήρηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων μέσα σε αυτά.
Το LCLS-II μπορεί να εκπέμπει έως και ένα εκατομμύριο παλμούς ακτίνων Χ ανά δευτερόλεπτο, 8,000 φορές περισσότερο από τα προηγούμενα λέιζερ LCLS. Όταν κάποιος συνδυάζει τον αυξημένο ρυθμό παλμού με τον αυξημένο αριθμό ηλεκτρονίων ανά παλμό, η νέα συσκευή είναι περισσότερο από 10,000 φορές πιο φωτεινή από την προκάτοχό της.
Συγκεκριμένα, το LCLS-II μπορεί να εκπέμψει έως και 1 εκατομμύριο παλμούς ακτίνων Χ ανά δευτερόλεπτο, 8,000-πλάσια αύξηση σε σχέση με το προηγούμενο λέιζερ LCLS. Σε συνδυασμό με τον αυξημένο ρυθμό παλμού και τον μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων ανά παλμό, η νέα συσκευή είναι περισσότερο από 10,000 φορές πιο φωτεινή από την προκάτοχό της. Επιπλέον, η συσκευή μπορεί να παράγει σύντομους παλμούς που κυμαίνονται από 10-50 femtoseconds, με διάρκεια παλμού που εκτείνεται στα 250 femtoseconds για ακτίνες Χ χαμηλής ενέργειας και είναι ακόμη ικανή να δημιουργεί πολύ σύντομους παλμούς μικρότερους από 10 femtoseconds.
Με τόσο μικρά μήκη κύματος, μικρούς παλμούς και γρήγορες επαναλήψεις λέιζερ, οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη συσκευή για να παρακολουθήσουν τις χημικές αντιδράσεις. Ουσιαστικά, κάθε παλμός μπορεί να απεικονίσει τη διαμόρφωση των ατόμων που εμπλέκονται στην αντίδραση και αυτές οι εικόνες μπορούν στη συνέχεια να ενωθούν μεταξύ τους για να δημιουργήσουν ένα αποτέλεσμα παρόμοιο με μια μοριακή "ταινία αργιλοποίησης". Το 2018, η εγκατάσταση LCLS παρήγαγε με επιτυχία μια ταινία με την ανθρώπινη όραση και τις χημικές διαδικασίες που εμπλέκονται στη φωτοσύνθεση σε μόλις 1,000 femtoseconds.
Το LCLS-II όχι μόνο έχει τη δυνατότητα να απεικονίζει μικροσκοπικά αντικείμενα, αλλά έχει επίσης ακρίβεια έως και 1 angstrom (10^-10 μέτρα). Αυτή η ικανότητα θα επιτρέψει στους ερευνητές να εμβαθύνουν σε ατομικές διεργασίες σε πεδία που κυμαίνονται από βιολογικά συστήματα έως φωτοβολταϊκά και κυψέλες καυσίμου. Ταυτόχρονα, η συσκευή λέιζερ θα βοηθήσει επίσης τους επιστήμονες να εξερευνήσουν περαιτέρω φυσικά φαινόμενα όπως η υπεραγωγιμότητα, ο σιδηροηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός.
Ένα από τα βασικά στοιχεία της αναβάθμισης είναι η εγκατάσταση κάποιας επαναστατικής τεχνολογίας. Ενώ τα προηγούμενα πεντάλ αερίου λειτουργούσαν σε θερμοκρασία δωματίου, το αναβαθμισμένο LCLS-II χρησιμοποιεί ένα υπεραγώγιμο συγκρότημα πεντάλ αερίου, το οποίο του επιτρέπει να λειτουργεί σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο σχεδόν το απόλυτο μηδέν (-456 βαθμοί F ή -271 βαθμοί . ) Το LCLS-II έχει επίσης καλύτερους μαγνήτες για την αιώρηση της δέσμης ηλεκτρονίων.
Αν και το LCLS-II μόλις ξεκίνησε να λειτουργεί, η επιτυχία των πρώιμων πεντάλ αερίου LCLS έχει δώσει στους ερευνητές αφορμή για αισιοδοξία. περισσότεροι από 3,000 επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει την εγκατάσταση, δημοσιεύοντας περισσότερες από 1.450 εργασίες. Οι μελλοντικές εφαρμογές αυτού του ισχυρού εκπομπού παλμών ακτίνων Χ είναι ελπιδοφόρες και αναμένεται να φέρουν νέες ιδέες και ανακαλύψεις στον τομέα της επιστημονικής έρευνας.