Veel van de diepste mysteries van de wetenschap liggen verborgen op microscopische schaal. Om deze mysteries te ontdekken, verzamelen onderzoekers van over de hele wereld zich bij het Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie om te verkennen met behulp van zijn lineaire coherente lichtbron (LCLS).
De LCLS functioneert als een gigantische microscoop, die ultra - heldere x - ray pulsen uitzenden en naar verschillende precisiewetenschappelijke instrumenten worden gericht. Wetenschappers gebruiken het om de onmiddellijke beweging van atomen vast te leggen, de echte - tijddynamiek van chemische reacties bij te houden, de unieke eigenschappen van materialen te ontdekken en inzicht te krijgen in de fundamentele mechanismen van het leven. Na meer dan een decennium van succesvolle werking heeft de LCLS een kritieke upgrade voltooid die bekend staat als LCLS - II. Het opgewaardeerde systeem verhoogt de herhalingssnelheid van x - ray pulsen van 120 keer per seconde tot een verbazingwekkende 1 miljoen keer per seconde, een bijna tienvoudige toename. Deze sprong voorwaarts geeft aanleiding tot een nieuwe generatie experimentele apparatuur en onderzoeksmethoden, waardoor wetenschappers kunnen worden gesneden - edge wetenschappelijke vragen die ooit buiten bereik werden beschouwd.
Effectieve fotonen vastleggen: een sprong van dagen tot momenten
Onder de verschillende onderzoeksinstrumenten gebruiken de QRIXS- en Chemrixs -spectrometers resonant Inelastic X - Ray Scattering (RIXS) -technologie. Deze technologie werkt door een monster te verlichten met x - straalpulsen, de innerlijke - shell -elektronen opwindend; Wanneer de elektronen terugkeren naar hun stabiele toestand, geven ze energie vrij in de vorm van fotonen. Door deze uitgezonden fotonen te analyseren, kunnen onderzoekers de tussenliggende processen van de reactie reconstrueren en de elektronische eigenschappen van kwantummaterialen nauwkeurig onderzoeken.
Georgi Dakovski, hoofdwetenschapper bij SLAC en hoofd van het Qrixs -instrument, legt uit dat RIXS een meettechniek is met een extreem lage signaalopbrengst. In experimenten worden de overgrote meerderheid van de invallende x - straalfotonen geabsorbeerd of verspreid door het monster en bereiken ze nooit de detector. Gemiddeld produceert slechts één van elke miljard incidentfotonen een effectief signaal dat met succes kan worden gedetecteerd. Georgi Dakovski stelt: Bij de oorspronkelijke polsfrequentie van de LCL's was het vastleggen van zelfs het minste effectieve foton een kunstvorm, omdat we lang moesten wachten om voldoende gegevens te verzamelen. "
De LCLS produceert nu echter x - ray pulsen met een snelheid van 100 tot 10.000 keer hoger per seconde. Rixs -metingen die ooit dagen hebben geduurd, kunnen nu binnen enkele minuten of zelfs seconden worden verkregen.
Georgi Dakovski zei: "Deze verbetering heeft opmerkelijke veranderingen teweeggebracht. Niet alleen heeft de snelheid van gegevensverwerving aanzienlijk toegenomen, maar de duidelijkheid is ook ongekend. We kunnen nu observeren in reële - Tijd om de tijd te volgen van de interacties van de interacties van de interacties. LCLS's aanzienlijk verbeterde x - ray -pulsfrequentie. "
Georgi Dakovski staat naast het Qrixs -instrument
Dit voorjaar, na de voltooiing van upgrades, debuteerde het QRIXS -instrument. Dit is een enorm apparaat uitgerust met een 12 - voet - Lange spectrometer die 110 graden kan roteren, waarbij Rixs -technologie wordt gebruikt om de kwantumdynamiek van vaste - toestand kristallijne materialen te bestuderen. De grote omvang stelt wetenschappers in staat om materialen onder een extreem hoge resolutie vanuit meerdere hoeken te analyseren, maar het vereist ook een grote invoer van x - stralen om gegevens van hoge kwaliteit te verkrijgen. Deze mogelijkheden zijn al lang een dringende behoefte aan de LCLS -gebruikersgemeenschap, maar vanwege de extreem hoge fotonvereisten zijn ze nu pas haalbaar geworden.
Onderzoekers gebruiken nu qrixs om materialen zoals hoge - temperatuur supergeleiders te bestuderen, die elektriciteit kunnen overbrengen met nul energieverlies. Een dieper inzicht in de onderliggende kwantumfenomenen zou de ontwikkeling van efficiëntere kwantumcomputers kunnen stimuleren, de magnetische resonantie -beeldvorming (MRI) -apparatuur voor medisch gebruik kunnen verbeteren en op grote schaal kunnen worden realisatie van potentiële verliesloze stroomtransmissienetwerken.
Kristjan Kunnus met het Chemrixs -instrument
Hoewel Qrixs voornamelijk wordt gebruikt voor onderzoek naar kwantummaterialen, is chemrixs specifiek ontworpen om de chemische eigenschappen van vloeibare monsters te analyseren, variërend van ultra - zuiver water tot chemische oplosmiddelen. Chemrixs biedt onderzoekers gedetailleerd inzichten in chemische processen, zoals de tussenliggende stappen van fotosynthese, die mogelijk kunnen leiden tot de ontwikkeling van kunstmatige fotosynthesisystemen in de toekomst.
Chemrixs werd geïnstalleerd in 2021 en werkt al enkele jaren op de LCLS -bundellijn en verzamelde een grote hoeveelheid gegevens. Kristjan Kunnus, een SLAC -wetenschapper en de hoofdonderzoeker voor het Chemrixs -instrument, verklaarde dat de significante toename van x - straalintensiteit van LCLS - II het onderzoekspotentieel van het apparaat aanzienlijk heeft uitgebreid. Hij zei: "Eerder konden we geen lage - concentratie -oplossingen bestuderen en moesten ze hogere - concentratiemonsters gebruiken, die niet volledig de chemische processen weerspiegelden onder real - wereldomstandigheden. Nu kunnen we de verdunde monsters analyseren in chemische toepassingen en nog steeds het verleden."
Moleculaire films vastleggen: chemische reacties volgen op de triljoende van een seconde
Op het moment dat - atomaire, moleculaire en fotonische wetenschappen (TMO) endstation opgelost, zijn meerdere nieuwe instrumenten gebruik van de verbeterde mogelijkheden van LCLS - II om te bestuderen hoe elektronen verschillende processen initiëren in biologie, chemie en materialenwetenschappen. Een daarvan is de multi - resolutie "Cookie Box" (MRCO) instrument, waarvan de kern een ringarray is van 16 elektronendetectoren die zijn ontworpen om het hogere herhalingssnelheid van de LCLS volledig te benutten. Door dit geavanceerde systeem te combineren met de ultrasnelle laserpulsen van de LCLS, kunnen onderzoekers precies het moment waarop elektronen uit moleculen ontsnappen en het energiespectrum en de hoekverdeling van de ontsnappende elektronen met extreem hoge precisie meten. Deze metingen stellen wetenschappers in staat om de overdracht van lading en energie in moleculaire systemen op natuurlijke tijdschalen op te lossen zo kort als een biljoenste van een seconde. Uiteindelijk test dergelijk onderzoek niet alleen de grenzen van de kwantumtheorie, maar biedt ook cruciale inzichten voor het ontwerpen van efficiëntere katalysatoren en brandstoffen.
Razib Obaid, een SLAC -wetenschapper en hoofd van het MRCO -instrument, verklaarde: we worden niet langer beperkt door het smalle 'observatieverslag' uit het verleden; Deze upgrade heeft de wetenschappelijke grenzen uitgebreid die we in elk experiment kunnen verkennen. "
Een van de nieuwe leden van het TMO -terminalstation is de dynamische reactiemicroscoop (DROOM). Zoals de naam al doet vermoeden, is Dream een krachtige reactiemicroscoop waarmee onderzoekers de toestand van individuele moleculen kunnen observeren tijdens chemische transformaties. Het instrument richt zich op een X - straalbundel op een enkel molecuul, waardoor zijn elektronen geleidelijk worden weggedraaid totdat het molecuul "explodeert", met alle chemische bindingen volledig verbroken. De resulterende fragmenten worden vervolgens gedetecteerd en gebruikt om een hoge - resolutie structurele kaart van het molecuul te reconstrueren. Door miljoenen van dergelijke afbeeldingen te verzamelen, kunnen onderzoekers uiteindelijk een moleculair - niveau "film" van de chemische reactie construeren.
James Cryan, een senior wetenschapper bij SLAC en hoofd van het TMO -instrument, verklaarde: "Deze apparatuur stelt ons in staat om fenomenen op het meest fundamentele niveau te begrijpen, zoals hoe fotochemische processen zoals visie, zonne -energie -conversie en fotosynthese ontvouwen, hoe DNA energie overdracht geeft bij het absorberen van licht en hoe elektronen bewegen van een molecuul naar de andere."
Deze doorbraaktechnologie is volledig afhankelijk van de hoge - snelheidspulsfrequentie van de LCLS. Om een enkele moleculaire reactie volledig vast te leggen, moeten onderzoekers beelden maken vanuit bijna een miljoen verschillende invalshoeken, wat betekent dat miljoenen X - straalblootstellingen. In 2020 bouwde het team een prototype op de bestaande bundellijn voor capaciteitsverificatie. Ze brachten een week door met het verzamelen van gegevens, maar konden slechts een enkel frame van de moleculaire film genereren.
James Cryan zei: "Onder de oorspronkelijke omstandigheden heeft het misschien jaren geduurd om een enkele reactie volledig op te lossen. Nu, met droom die werkt op de verbeterde LCLS -bundellijn, kunnen we deze processen op een volledig nieuwe manier observeren. Deze upgrade is een keerpunt, waardoor eerder onmogelijke onderzoek een realiteit is."
De significante toename van de capaciteit van gegevensverzameling bij LCLS heeft niet alleen nieuwe onderzoeksmethoden voortgebracht, maar heeft ook enorme hoeveelheden gegevens gegenereerd voor het trainen van fundamentele AI -modellen. Deze AI -modellen kunnen onderzoekers helpen om gegevens efficiënter te verzamelen om nieuw materiaal te verkennen en echte - tijdsteun te bieden aan operators tijdens bundellijnaanpassingen. Matthias Kling, LCLS Research and Development Director, verklaarde: "De diepe integratie van deze AI -technologie zal ongetwijfeld het onderzoekslandschap hervormen en het tempo van wetenschappelijke ontdekking versnellen."
Met verbeterde prestaties en een nieuw instrumentatiesysteem heeft de LCLS - II -upgrade de reikwijdte van LCLS -onderzoek aanzienlijk uitgebreid. Onderzoekers analyseren momenteel gegevens van de eerste experimenten en zijn van plan dit jaar meer experimenten uit te voeren. De wetenschappelijke ontdekkingen die door deze geavanceerde faciliteiten mogelijk zijn, wordt verwacht dat ze het begrip van de mensheid van de fundamentele processen die de wereld vormen verder verdiept.
