Molti dei misteri più profondi della scienza sono nascosti su scala microscopica. Per scoprire questi misteri, i ricercatori di tutto il mondo si stanno radunando presso il National Laboratory di Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per esplorare usando la sua fonte di luce coerente lineare (LCLS).
L'LCLS funziona come un microscopio gigante, emettendo ultra - luminoso x - impulsi di raggio e indirizzandoli a vari strumenti scientifici di precisione. Gli scienziati lo usano per catturare il movimento istantaneo degli atomi, tenere traccia della vera dinamica del tempo - delle reazioni chimiche, scoprire le proprietà uniche dei materiali e ottenere approfondimenti sui meccanismi fondamentali della vita. Dopo oltre un decennio di operazioni di successo, LCLS ha completato un aggiornamento critico noto come LCLS - II. Il sistema aggiornato aumenta il tasso di ripetizione degli impulsi di raggi X - da 120 volte al secondo a un sorprendente 1 milione di volte al secondo, un aumento di quasi dieci volte. Questo salto in avanti sta dando origine a una nuova generazione di attrezzature sperimentali e metodi di ricerca, consentendo agli scienziati di affrontare il taglio - bordo di questioni scientifiche che una volta erano considerate fuori portata.
Catturare fotoni efficaci: un salto dai giorni ai momenti
Tra i vari strumenti di ricerca, gli spettrometri QRixs e Chemrixs utilizzano la tecnologia Resonant Inelastic X - Ray Scattering (RIXS). Questa tecnologia funziona illuminando un campione con impulsi a raggi X -, eccitando i suoi elettroni interni - shell; Quando gli elettroni tornano al loro stato stabile, rilasciano energia sotto forma di fotoni. Analizzando questi fotoni emessi, i ricercatori possono ricostruire i processi intermedi della reazione e sondare precisamente le proprietà elettroniche dei materiali quantistici.
Georgi Dakovski, capo scienziato di SLAC e capo dello strumento Qrixs, spiega che Rixs è una tecnica di misurazione con resa del segnale estremamente bassa. In esperimenti, la stragrande maggioranza dei fotoni di raggi X - viene assorbiti dal campione e non raggiungono mai il rivelatore. In media, solo uno su ogni miliardo di fotoni incidenti produce un segnale efficace che può essere rilevato con successo. Georgi Dakovski afferma: alla frequenza di impulso originale degli LCL, catturando anche il minimo fotone efficace era una forma d'arte, poiché dovevamo aspettare molto tempo per accumulare dati sufficienti. "
Tuttavia, l'LCLS ora produce impulsi di raggi X - a una velocità da 100 a 10.000 volte superiore al secondo. Le misurazioni di Rixs che una volta hanno richiesto giorni per completare ora possono essere ottenute in minuti o addirittura secondi.
Georgi Dakovski ha dichiarato: "Questo miglioramento ha apportato notevoli cambiamenti. Non solo ha la velocità dell'acquisizione dei dati significativamente aumentata, ma anche la chiarezza è senza precedenti. Ora possiamo osservare nel vero e proprio Frame, per tutti i materiali, a tutti i materiali, a tutti i materiali, a tutti, a tutti i materiali, per tutto il tempo, a tutti i materiali, per tutto il tempo, a tutti i materiali, per tutto il tempo, a tutti i materiali per tutti questo, a tutti i materiali, per tutto il tempo, a tutti i materiali per tutti questo, a tutti i materiali, per tutto il tempo, a tutti i materiali, a tutti questo La frequenza di impulso ray di LCLS ha significativamente migliorato la frequenza di impulso del raggio. "
Georgi Dakovski si trova accanto allo strumento Qrixs
Questa primavera, dopo il completamento degli aggiornamenti, lo strumento Qrixs ha fatto il suo debutto. Questo è un dispositivo enorme dotato di uno spettrometro lungo 12 - - in grado di ruotare di 110 gradi, utilizzando la tecnologia RIXS per studiare la dinamica quantistica dei materiali cristallini a stato solido -. Le sue grandi dimensioni consentono agli scienziati di analizzare i materiali a una risoluzione estremamente elevata da più angoli, ma richiede anche un grande input di raggi X - per ottenere dati di alta qualità. Queste capacità sono state a lungo una necessità urgente per la comunità utente LCLS, ma a causa dei requisiti di fotone estremamente elevati, solo ora sono diventate fattibili.
I ricercatori stanno ora usando QRix per studiare materiali come superconduttori di temperatura - alti, che possono trasmettere elettricità con perdita di energia zero. Una comprensione più profonda dei fenomeni quantistici sottostanti potrebbe guidare lo sviluppo di computer quantistici più efficienti, migliorare le attrezzature per la risonanza magnetica (MRI) per uso medico e consentire la realizzazione di potenziali reti di trasmissione di potenza senza perdita di perdita su larga scala.
Kristjan Kunnus con lo strumento Chemrixs
Mentre Qrixs è utilizzato principalmente per la ricerca sui materiali quantistici, le sostanze chimiche sono specificamente progettate per analizzare le proprietà chimiche dei campioni liquidi, che vanno da ultra - acqua pura a solventi chimici. Chemrixs fornisce ai ricercatori approfondimenti dettagliati sui processi chimici, come le fasi intermedie della fotosintesi, che potrebbero potenzialmente portare allo sviluppo di sistemi di fotosintesi artificiale in futuro.
Chemrixs è stato installato nel 2021 e ha operato sulla linea del raggio LCLS per diversi anni, accumulando una grande quantità di dati. Kristjan Kunnus, uno scienziato SLAC e il principale investigatore per lo strumento Chemrixs, ha dichiarato che l'aumento significativo nell'intensità del raggio X - portato da LCLS - II ha ampliato notevolmente il potenziale di ricerca del dispositivo. Ha detto: "In precedenza, non potevamo studiare a basso contenuto di concentrazione di concentrazione di - e dovevamo usare campioni di concentrazione più alti -, che non riflettono pienamente i processi chimici in condizioni mondiali reali -.
Catturare i film molecolari: monitorare le reazioni chimiche al trilionario di un secondo
All'epoca - risolto le scienze atomiche, molecolari e fotoniche (TMO) di Endstation, più nuovi strumenti stanno sfruttando le capacità aggiornate di LCLS - II per studiare come gli elettroni avviano vari processi in biologia, chimica e scienze dei materiali. Uno di questi è lo strumento "Cookie Box" (MRCO) di risoluzione multi -, il cui core è un array ad anello di 16 rilevatori di elettroni progettati per sfruttare completamente la velocità di ripetizione più elevata dell'LCLS. Combinando questo sistema avanzato con gli impulsi laser ultravelici della LCLS, i ricercatori possono individuare con precisione il momento in cui gli elettroni fuggili dalle molecole e misurano lo spettro di energia e la distribuzione angolare degli elettroni in fuga con una precisione estremamente elevata. Queste misurazioni consentono agli scienziati di risolvere il trasferimento della carica e dell'energia all'interno dei sistemi molecolari in tempi naturali fino a un trilionario di secondo. In definitiva, tale ricerca non solo verifica i limiti della teoria quantistica, ma fornisce anche approfondimenti cruciali per la progettazione di catalizzatori e carburanti più efficienti.
Razib Obaid, uno scienziato SLAC e capo dello strumento MRCO, ha dichiarato: non siamo più vincolati dalla stretta "finestra di osservazione" del passato; Questo aggiornamento ha ampliato i confini scientifici che possiamo esplorare in ogni esperimento ".
Uno dei nuovi membri della stazione terminale TMO è il microscopio di reazione dinamica (DREAM). Come suggerisce il nome, Dream è un potente microscopio di reazione che consente ai ricercatori di osservare lo stato delle singole molecole durante le trasformazioni chimiche. Lo strumento focalizza un raggio X - su una singola molecola, rimuovendo gradualmente i suoi elettroni fino a quando la molecola "esplode", con tutti i legami chimici completamente rotti. I frammenti risultanti vengono quindi rilevati e utilizzati per ricostruire una mappa strutturale ad alta risoluzione - della molecola. Accumulando milioni di tali immagini, i ricercatori possono in definitiva costruire un livello molecolare del livello - della reazione chimica.
James Cryan, uno scienziato senior di SLAC e capo dello strumento TMO, ha dichiarato: "Questa attrezzatura ci consente di comprendere i fenomeni a livello più fondamentale, come i processi fotochimici come la visione, la conversione dell'energia solare e la fotosintesi si svolgono, come il DNA trasferisce l'energia quando assorbono la luce e come gli elettroni si muovono da una parte di una molecola all'altra."
Questa tecnologia rivoluzionaria si basa interamente sulla frequenza di impulso di velocità - di LCLS. Per catturare completamente una singola reazione molecolare, i ricercatori devono scattare immagini da quasi un milione di angoli diversi, il che significa milioni di esposizioni di raggi X -. Nel 2020, il team ha creato un prototipo sulla linea di fascio esistente per la verifica della capacità. Hanno trascorso una settimana a raccogliere dati ma potevano solo generare un singolo fotogramma del film molecolare.
James Cryan ha dichiarato: "In condizioni originali, potrebbero aver impiegato anni per risolvere completamente una singola reazione. Ora, con i sogni che operano sulla linea di raggio LCLS aggiornata, possiamo osservare questi processi in un modo completamente nuovo. Questo aggiornamento è un punto di svolta, rendendo una ricerca precedentemente impossibile una realtà."
Il significativo aumento della capacità di raccolta dei dati presso LCLS non ha solo generato nuovi metodi di ricerca, ma ha anche generato enormi quantità di dati per la formazione di modelli di intelligenza artificiale. Questi modelli di intelligenza artificiale possono aiutare i ricercatori a raccogliere dati in modo più efficiente per esplorare nuovi materiali e fornire assistenza temporale - reale agli operatori durante le regolazioni della linea di fascio. Matthias Kling, direttore della ricerca e dello sviluppo LCLS, ha dichiarato: "La profonda integrazione di questa tecnologia AI rimodellerà senza dubbio il panorama di ricerca e accelererà il ritmo della scoperta scientifica".
Con prestazioni migliorate e un nuovo sistema di strumentazione, l'aggiornamento LCLS - II ha ampliato significativamente l'ambito della ricerca LCLS. I ricercatori stanno attualmente analizzando i dati dei primi esperimenti e pianificano di condurre più esperimenti quest'anno. Le scoperte scientifiche abilitate da queste strutture avanzate dovrebbero approfondire ulteriormente la comprensione dell'umanità dei processi fondamentali che modellano il mondo.
