Mange af de dybeste videnskabelige mysterier ligger skjult i den mikroskopiske skala. For at afsløre disse mysterier samles forskere fra hele verden på det amerikanske Energi Department of Energy's Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) National Laboratory for at udforske ved hjælp af sin lineære sammenhængende lyskilde (LCLS).
LCLS fungerer som et kæmpe mikroskop, der udsender Ultra - lys x - strålepulser og dirigerer dem til forskellige præcisionsvidenskabelige instrumenter. Forskere bruger det til at fange den øjeblikkelige bevægelse af atomer, spore den virkelige - tidsdynamik af kemiske reaktioner, afsløre materialernes unikke egenskaber og få indsigt i de grundlæggende mekanismer i livet. Efter over et årti med vellykket drift har LCLS afsluttet en kritisk opgradering kendt som LCLS - II. Det opgraderede system øger gentagelsesgraden på x - strålepulser fra 120 gange i sekundet til en forbløffende 1 million gange i sekundet, en næsten ti gange stigning. Dette spring fremad giver anledning til en ny generation af eksperimentelt udstyr og forskningsmetoder, der gør det muligt for forskere at tackle skæring - kant videnskabelige spørgsmål, der engang blev betragtet som uden for rækkevidde.
Optagelse af effektive fotoner: et spring fra dage til øjeblikke
Blandt de forskellige forskningsinstrumenter bruger QRIXS og Chemrixs Spectrometers resonant uelastisk x - strålepredning (RIXS) teknologi. Denne teknologi fungerer ved at belyse en prøve med x - strålepulser, der spænder dens indre - skalelektroner; Når elektronerne vender tilbage til deres stabile tilstand, frigiver de energi i form af fotoner. Ved at analysere disse udsendte fotoner kan forskere rekonstruere de mellemliggende processer i reaktionen og præcist undersøge de elektroniske egenskaber ved kvantematerialer.
Georgi Dakovski, chefforsker ved SLAC og leder af QRIXS -instrumentet, forklarer, at Rixs er en måleteknik med ekstremt lavt signaludbytte. I eksperimenter absorberes eller spredes langt de fleste af hændelsen x - strålefotoner af prøven og når aldrig detektoren. I gennemsnit producerer kun en ud af hver milliard hændelsesfotoner et effektivt signal, der med succes kan detekteres. Georgi Dakovski siger: Ved den originale pulsfrekvens af LCL'erne var det at fange selv den mindste effektive foton en kunstform, da vi var nødt til at vente længe på at akkumulere tilstrækkelige data. "
Imidlertid producerer LCL'erne nu x - strålepulser med en hastighed 100 til 10.000 gange højere pr. Sekund. Rixs -målinger, der engang tog dage at gennemføre, kan nu opnås på få minutter eller endda sekunder.
Georgi Dakovski sagde: "Denne forbedring har medført bemærkelsesværdige ændringer. Ikke kun er hastigheden af dataindsamling markant steget, men klarheden er også hidtil uset. Vi kan nu observere i reelle - tid, hvordan materialer transformerer over tid, sporer transmission af energi inden for materialer, og overvåge interaktionerne mellem atomiske komponenter. Vi kan 'film' disse dynamiske processer med ramme, og alt dette er tak LCLS's markant forbedrede X - strålepulsfrekvens. "
Georgi Dakovski står ved siden af QRIXS -instrumentet
I foråret, efter afslutningen af opgraderinger, debuterede QRIXS -instrumentet. Dette er en massiv enhed udstyret med en 12 - fod - langt spektrometer, der er i stand til at rotere 110 grader ved hjælp af RIXS -teknologi til at studere kvantedynamikken i faste - tilstandskrystallinske materialer. Dens store størrelse gør det muligt for forskere at analysere materialer i ekstremt høj opløsning fra flere vinkler, men det kræver også et stort input af x - stråler for at opnå data af høj kvalitet. Disse kapaciteter har længe været et presserende behov for LCLS -brugersamfundet, men på grund af de ekstremt høje fotonbehov er de først nu blevet gennemførlige.
Forskere bruger nu QRIX'er til at studere materialer såsom høj - temperatursuperledere, som kan transmittere elektricitet med nul energitab. En dybere forståelse af de underliggende kvantefænomener kunne drive udviklingen af mere effektive kvantecomputere, forbedre magnetisk resonansafbildning (MRI) udstyr til medicinsk brug og muliggøre realisering af potentielle tabsløse kraftoverførselsnetværk i stor skala.
Kristjan Kunnus med Chemrixs -instrumentet
Mens QRIX'er primært bruges til kvantematerialerforskning, er Chemrixs specifikt designet til at analysere de kemiske egenskaber ved flydende prøver, der spænder fra ultra - rent vand til kemiske opløsningsmidler. Chemrixs giver forskere detaljeret indsigt i kemiske processer, såsom mellemliggende trin i fotosyntesen, som potentielt kan føre til udvikling af kunstige fotosyntesesystemer i fremtiden.
Chemrixs blev installeret i 2021 og har været i drift på LCLS -strålelinjen i flere år og akkumuleret en stor mængde data. Kristjan Kunnus, en SLAC -videnskabsmand og den vigtigste efterforsker for Chemrixs -instrumentet, oplyste, at den betydelige stigning i x - stråleintensitet bragt af LCLS - II har i høj grad udvidet enhedens forskningspotentiale. Han sagde, "Tidligere kunne vi ikke studere lav - koncentration solvates og måtte bruge højere - koncentrationsprøver, som ikke fuldt ud afspejler de kemiske processer under reelle - verdensbetingelser. Nu kan vi simpelthen analysere de fortyndede prøver, der virkelig er vigtige i kemiske anvendelser og stadig opnå høje -} kvalitetsdata, som simpelthen var umulige i de fortidsprøver."
Optagelse af molekylære film: Sporing af kemiske reaktioner på billion af et sekund
På det tidspunkt - opløst atom-, molekylære og fotoniske videnskaber (TMO) endStation, udnytter flere nye instrumenter de opgraderede kapaciteter i LCLS - II for at undersøge, hvordan elektroner initierer forskellige processer i biologi, kemi og materialevidenskab. Et af disse er multi - opløsning "cookie boks" (MRCO) -instrument, hvis kerne er en ring -matrix med 16 elektrondetektorer designet til fuldt ud at udnytte LCLS's højere gentagelsesgrad. Ved at kombinere dette avancerede system med LCLS's ultrahastede laserimpulser, kan forskere præcist finde ud af det øjeblik, elektroner flugt fra molekyler og måle energispektret og vinkelfordelingen af de flugtende elektroner med ekstremt høj præcision. Disse målinger gør det muligt for forskere at løse overførslen af ladning og energi inden for molekylære systemer ved naturlige tidsskalaer så korte som en billionelig. I sidste ende tester sådan forskning ikke kun grænserne for kvanteteori, men giver også afgørende indsigt til at designe mere effektive katalysatorer og brændstoffer.
Razib Obaid, en SLAC -videnskabsmand og leder af MRCO -instrumentet, sagde: Vi er ikke længere begrænset af fortidens smalle 'observationsvindue'; Denne opgradering har udvidet de videnskabelige grænser, vi kan udforske i hvert eksperiment. "
Et af de nye medlemmer af TMO -terminalstationen er det dynamiske reaktionsmikroskop (drøm). Som navnet antyder er Dream et kraftfuldt reaktionsmikroskop, der gør det muligt for forskere at observere tilstanden af individuelle molekyler under kemiske transformationer. Instrumentet fokuserer en x - strålebjælke på et enkelt molekyle, hvilket gradvist fjerner sine elektroner, indtil molekylet "eksploderer", med alle kemiske bindinger helt brudt. De resulterende fragmenter detekteres og bruges til at rekonstruere en høj - opløsning af strukturelt kort over molekylet. Ved at akkumulere millioner af sådanne billeder kan forskere i sidste ende konstruere en molekylær - niveau "film" af den kemiske reaktion.
James Cryan, en seniorforsker ved SLAC og leder af TMO -instrumentet, sagde: "Dette udstyr giver os mulighed for at forstå fænomener på det mest grundlæggende niveau, såsom hvordan fotokemiske processer som vision, solenergi -konvertering og fotosyntesen udfolder sig, hvordan DNA overfører energi, når de absorberer lys, og hvordan elektroner bevæger sig fra den ene side af en molecule til den anden."
Denne gennembrudsteknologi er helt afhængig af LCLS's High - hastighedspulsfrekvens. For fuldt ud at fange en enkelt molekylær reaktion er forskere nødt til at tage billeder fra næsten en million forskellige vinkler, hvilket betyder millioner af x - stråleeksponeringer. I 2020 byggede teamet en prototype på den eksisterende Beamline for kapacitetsverifikation. De brugte en uge på at indsamle data, men kunne kun generere en enkelt ramme af den molekylære film.
James Cryan sagde, "Under de oprindelige forhold kunne det have taget år at løse en enkelt reaktion. Nu, med Dream, der opererer på den opgraderede LCLS Beamline, kan vi observere disse processer på en helt ny måde. Denne opgradering er et vendepunkt, hvilket gør tidligere umulig forskning til virkelighed."
Den markante stigning i dataindsamlingskapacitet på LCLS har ikke kun givet nye forskningsmetoder, men også genereret enorme mængder data til træning af grundlæggende AI -modeller. Disse AI -modeller kan hjælpe forskere med at indsamle data mere effektivt for at udforske nye materialer og levere reelle - tidsassistance til operatører under strålelinjustindretninger. Matthias Kling, LCLS Research and Development Director, sagde, "Den dybe integration af denne AI -teknologi vil utvivlsomt omforme forskningslandskabet og fremskynde tempoet i videnskabelig opdagelse."
Med forbedret ydelse og et nyt instrumenteringssystem har LCLS - II -opgraderingen betydeligt udvidet omfanget af LCLS -forskning. Forskere analyserer i øjeblikket data fra de første eksperimenter og planlægger at gennemføre flere eksperimenter i år. De videnskabelige opdagelser, der er muliggjort af disse avancerede faciliteter, forventes at uddybe menneskehedens forståelse af de grundlæggende processer, der former verden.
