Mange av de dypeste mysterier om vitenskap ligger skjult i den mikroskopiske skalaen. For å avdekke disse mysteriene samles forskere fra hele verden ved det amerikanske Department of Energy's Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) National Laboratory for å utforske ved hjelp av sin lineære sammenhengende lyskilde (LCL).
LCLS -funksjonene som et gigantisk mikroskop, som sender ut Ultra - Bright X - Ray Pulses og dirigerer dem til forskjellige presisjonsvitenskapelige instrumenter. Forskere bruker den for å fange opp øyeblikkelig bevegelse av atomer, spore den virkelige - Tidsdynamikken i kjemiske reaksjoner, avdekke de unike egenskapene til materialer og få innsikt i de grunnleggende mekanismene i livet. Etter over et tiår med vellykket drift, har LCLS fullført en kritisk oppgradering kjent som LCLS - ii. Det oppgraderte systemet øker repetisjonshastigheten til X - Ray Pulses fra 120 ganger per sekund til en forbløffende 1 million ganger per sekund, en nesten ti ganger økning. Dette spranget fremover gir opphav til en ny generasjon eksperimentelt utstyr og forskningsmetoder, slik at forskere kan takle kutting - kant vitenskapelige spørsmål som en gang ble vurdert utenfor rekkevidde.
Fanger effektive fotoner: et sprang fra dager til øyeblikk
Blant de forskjellige forskningsinstrumentene bruker Qrixs og Chemrixs -spektrometre resonant inelastisk x - ray spredning (Rixs) teknologi. Denne teknologien fungerer ved å belyse en prøve med x - strålepulser, spennende dens indre - skallelektroner; Når elektronene går tilbake til sin stabile tilstand, frigjør de energi i form av fotoner. Ved å analysere disse utsendte fotonene, kan forskere rekonstruere mellomprosessene for reaksjonen og nøyaktig undersøke de elektroniske egenskapene til kvantematerialer.
Georgi Dakovski, sjefforsker ved SLAC og sjef for Qrixs -instrumentet, forklarer at Rixs er en måleteknikk med ekstremt lavt signalutbytte. I eksperimenter blir det store flertallet av hendelsen X - strålefotoner absorbert eller spredt av prøven og nå aldri detektoren. I gjennomsnitt gir bare en av hver milliard hendelsesfotoner et effektivt signal som kan oppdages. Georgi Dakovski uttaler: Ved den opprinnelige pulsfrekvensen til LCL -er, var det en kunstform, da vi måtte vente lenge på å samle tilstrekkelige data. "
Imidlertid produserer LCL -er nå x - strålepulser med en hastighet 100 til 10.000 ganger høyere per sekund. Rixs -målinger som en gang tok dager å fullføre, kan nå oppnås på få minutter eller til og med sekunder.
Georgi Dakovski sa: "Denne forbedringen har ført til bemerkelsesverdige endringer. Ikke bare har hastigheten på datainnsamling betydelig økt, men klarheten er også enestående. Vi kan nå observere i ekte -} tid, hvordan materialene transformerer. LCLS har betydelig forbedret x - strålepulsfrekvens. "
Georgi Dakovski står ved siden av Qrixs -instrumentet
I vår, etter fullføringen av oppgraderinger, debuterte Qrixs -instrumentet. Dette er en massiv enhet utstyrt med en 12 - fot - langt spektrometer som er i stand til å rotere 110 grader, ved å bruke Rixs -teknologi for å studere kvantedynamikken til fast - tilstand krystallinske materialer. Den store størrelsen gjør det mulig for forskere å analysere materialer med ekstremt høy oppløsning fra flere vinkler, men det krever også en stor inngang på X - stråler for å få data av høy kvalitet. Disse mulighetene har lenge vært et presserende behov for LCLS -brukersamfunnet, men på grunn av de ekstremt høye fotonkravene, har de bare nå blitt gjennomførbare.
Forskere bruker nå qrixs for å studere materialer som høy - temperatur superledere, som kan overføre elektrisitet med null energitap. En dypere forståelse av de underliggende kvantefenomenene kan drive utviklingen av mer effektive kvantedatamaskiner, forbedre magnetisk resonansavbildning (MRI) utstyr til medisinsk bruk og muliggjøre realisering av potensielle tapsfrie kraftoverføringsnettverk i stor skala.
Kristjan Kunnus med Chemrixs -instrumentet
Mens Qrixs først og fremst brukes til kvantematerialer, er Chemrixs spesielt designet for å analysere de kjemiske egenskapene til flytende prøver, alt fra Ultra - rent vann til kjemiske løsningsmidler. Chemrixs gir forskere detaljert innsikt i kjemiske prosesser, for eksempel de mellomliggende trinnene i fotosyntesen, noe som potensielt kan føre til utvikling av kunstige fotosyntesesystemer i fremtiden.
Chemrixs ble installert i 2021 og har operert på LCLS -strålelinjen i flere år, og samlet en stor mengde data. Kristjan Kunnus, en SLAC -forsker og hovedetterforsker for Chemrixs -instrumentet, uttalte at den betydelige økningen i X - stråleintensitet brakt av LCLS - II har utvidet forskningspotensialet til enheten i stor grad. Han sa: "Tidligere kunne vi ikke studere lav - konsentrasjonsløsning og måtte bruke høyere - konsentrasjonsprøver, som ikke helt gjenspeiler de kjemiske prosessene under reelle - verdensforhold. Nå kan vi analysere de fortynneprøvene som virkelig er viktige i kjemiske applikasjoner.
Fanger molekylære filmer: Sporing av kjemiske reaksjoner på billionen av et sekund
På det tidspunktet - løste atom-, molekylære og fotoniske vitenskap (TMO) endstasjon, utnytter flere nye instrumenter de oppgraderte funksjonene til LCLS - II for å studere hvordan elektroner initierer forskjellige prosesser i biologi, kjemi og materialvitenskap. En av disse er Multi - oppløsningen "Cookie Box" (MRCO) instrument, hvis kjerne er en ringarray av 16 elektrondetektorer designet for å utnytte LCLSs høyere repetisjonshastighet fullt ut. Ved å kombinere dette avanserte systemet med LCLSs ultrafast laserpulser, kan forskere nettopp kartlegge øyeblikket elektroner slipper ut fra molekyler og måle energispekteret og vinkelfordelingen av de rømte elektronene med ekstremt høy presisjon. Disse målingene gjør det mulig for forskere å løse overføring av ladning og energi i molekylære systemer på naturlige tidsskalaer så kort som en billion. Til syvende og sist tester slik forskning ikke bare grensene for kvanteteori, men gir også avgjørende innsikt for å utforme mer effektive katalysatorer og drivstoff.
Razib Obaid, en SLAC -forsker og sjef for MRCO -instrumentet, uttalte: Vi er ikke lenger begrenset av fortidens smale 'observasjonsvindu'; Denne oppgraderingen har utvidet de vitenskapelige grensene vi kan utforske i hvert eksperiment. "
Et av de nye medlemmene av TMO -terminalstasjonen er det dynamiske reaksjonsmikroskopet (drømmen). Som navnet antyder, er drøm et kraftig reaksjonsmikroskop som gjør det mulig for forskere å observere tilstanden til individuelle molekyler under kjemiske transformasjoner. Instrumentet fokuserer en x - strålebjelke på et enkelt molekyl, og strippet gradvis bort elektronene sine til molekylet "eksploderer", med alle kjemiske bindinger fullstendig ødelagt. De resulterende fragmentene blir deretter påvist og brukt til å rekonstruere en høy {- oppløsningsstrukturkart over molekylet. Ved å samle millioner av slike bilder, kan forskere til slutt konstruere en molekylær - nivå "film" av den kjemiske reaksjonen.
James Cryan, seniorforsker ved SLAC og sjef for TMO -instrumentet, uttalte: "Dette utstyret lar oss forstå fenomener på det mest grunnleggende nivået, for eksempel hvordan fotokjemiske prosesser som syn, solenergikonvertering og fotosyntesen utfolder seg, hvordan DNA overfører energi når du absorberer lyset, og hvordan elektroner beveger seg fra den ene siden av en molulær når det absorberer lyset.
Denne gjennombruddsteknologien er helt avhengig av LCLSs høye - hastighetspulsfrekvens. For å fange en enkelt molekylær reaksjon fullt ut, må forskere ta bilder fra nesten en million forskjellige vinkler, noe som betyr millioner av x - stråleeksponering. I 2020 bygde teamet en prototype om den eksisterende bjelkelinjen for funksjonsverifisering. De brukte en uke på å samle inn data, men kunne bare generere en enkelt ramme av den molekylære filmen.
James Cryan sa: "Under de opprinnelige forholdene kan det ha tatt år å løse en enkelt reaksjon fullt ut. Nå, med drømmet som opererer på den oppgraderte LCLS -strålelinjen, kan vi observere disse prosessene på en helt ny måte. Denne oppgraderingen er et vendepunkt, noe som gjør tidligere umulig forskning til virkelighet."
Den betydelige økningen i datainnsamlingskapasitet ved LCLS har ikke bare gitt nye forskningsmetoder, men genererte også enorme datamengder for trening grunnleggende AI -modeller. Disse AI -modellene kan hjelpe forskere med å samle inn data mer effektivt for å utforske nye materialer og gi ekte - tidsassistanse til operatører under bjelkejusteringer. Matthias Kling, LCLS Research and Development Director, uttalte: "Den dype integrasjonen av denne AI -teknologien vil utvilsomt omforme forskningslandskapet og akselerere tempoet i vitenskapelig oppdagelse."
Med forbedret ytelse og et nytt instrumenteringssystem har LCLS - II -oppgraderingen utvidet omfanget av LCLS -forskning betydelig. Forskere analyserer for tiden data fra de første eksperimentene og planlegger å utføre flere eksperimenter i år. De vitenskapelige funnene som er muliggjort av disse avanserte fasilitetene, forventes å utdype menneskehetens forståelse av de grunnleggende prosessene som former verden.
