Röntgenlaser die de krachtigste puls ooit uitzendt!

Onlangs hebben wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory een grote doorbraak bereikt op het gebied van wetenschappelijk onderzoek. Ze gebruikten de Linear Accelerator Coherent Light Source (LCLS-II)-faciliteit in Californië om met succes de krachtigste röntgenpuls tot nu toe te lanceren.
De duur van deze puls was zo kort dat deze in slechts 4,4 biljoenste van een seconde (attoseconden) bijna 1 terawatt aan energie genereerde - 1,000 keer meer dan de gemiddelde jaarlijkse elektriciteitsproductie van een kerncentrale.
De LCLS-II is een verbeterde versie van de Linear Coherent Light Source, gehuisvest in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, grenzend aan Stanford University in Menlo Park, Californië. Het apparaat gebruikt vrije-elektronenlasertechnologie om een ​​elektronenbundel te versnellen tot bijna de lichtsnelheid en de bundel te laten oscilleren door een reeks magnetische velden om intense röntgenstralen uit te zenden. Deze röntgenstralen kunnen worden gebruikt om kleine objecten, zoals moleculen, in beeld te brengen om de interacties tussen atomen daarin te observeren.
De LCLS-II kan tot een miljoen röntgenpulsen per seconde uitzenden, 8,000 keer meer dan eerdere LCLS-lasers. Wanneer men de verhoogde pulsfrequentie combineert met het toegenomen aantal elektronen per puls, is het nieuwe apparaat meer dan 10,000 keer helderder dan zijn voorganger.
Opvallend is dat de LCLS-II tot 1 miljoen röntgenpulsen per seconde kan uitzenden, een 8,000-voudige toename ten opzichte van de vorige LCLS-laser. Gecombineerd met de verhoogde pulsfrequentie en het grotere aantal elektronen per puls, is het nieuwe apparaat meer dan 10,000 keer helderder dan zijn voorganger. Bovendien kan het apparaat korte pulsen produceren van 10-50 femtoseconden, met pulsduren die zich uitstrekken tot 250 femtoseconden voor röntgenstralen met lage energie, en is het zelfs in staat om zeer korte pulsen van minder dan 10 femtoseconden te creëren.
Met zulke korte golflengtes, korte pulsen en snelle herhalingen van lasers kunnen wetenschappers het apparaat gebruiken om chemische reacties te bekijken. In wezen kan elke puls de configuratie van de atomen die bij de reactie betrokken zijn, afbeelden en deze beelden kunnen vervolgens aan elkaar worden geregen om een ​​effect te creëren dat vergelijkbaar is met een moleculaire "claymation movie". In 2018 produceerde de LCLS-faciliteit met succes een film van het menselijk zicht en de chemische processen die betrokken zijn bij fotosynthese in slechts 1,000 femtoseconden.
LCLS-II heeft niet alleen de mogelijkheid om kleine objecten in beeld te brengen, maar heeft ook een nauwkeurigheid tot 1 angstrom (10^-10 meter). Deze mogelijkheid zal onderzoekers in staat stellen om zich te verdiepen in atomaire processen in vakgebieden variërend van biologische systemen tot fotovoltaïsche cellen en brandstofcellen. Tegelijkertijd zal het laserapparaat wetenschappers ook helpen om fysieke fenomenen zoals supergeleiding, ferro-elektriciteit en magnetisme verder te onderzoeken.
Een van de belangrijkste onderdelen van de upgrade is de installatie van een aantal revolutionaire technologieën. Terwijl eerdere gaspedalen op kamertemperatuur werkten, gebruikt de geüpgradede LCLS-II een supergeleidende gaspedaalconstructie, waardoor deze kan werken bij temperaturen zo laag als nabij het absolute nulpunt (-456 graden F of -271 graden .) De LCLS-II heeft ook betere magneten om de elektronenbundel te slingeren.
Hoewel LCLS-II nog maar net in gebruik is, heeft het succes van de eerste LCLS-gaspedalen onderzoekers reden gegeven tot optimisme. Meer dan 3.000 wetenschappers hebben de faciliteit gebruikt en meer dan 1.450 artikelen gepubliceerd. De toekomstige toepassingen van deze krachtige röntgenpulsemitter zijn veelbelovend en zullen naar verwachting nieuwe inzichten en doorbraken opleveren op het gebied van wetenschappelijk onderzoek.