Mnoho z nejhlubších tajemství vědy leží v mikroskopickém měřítku. K odhalení těchto tajemství se vědci z celého světa shromažďují na národní laboratoři amerického lineárního akcelerátoru (SLAC) ministerstva energetiky amerického ministerstva energetiky, aby prozkoumali pomocí svého lineárního zdroje světla (LCL).
LCLS funguje jako obří mikroskop, který vyzařuje ultra - Bright X - pulsy a nasměruje je na různé přesné vědecké nástroje. Vědci jej používají k zachycení okamžitého pohybu atomů, sledování skutečné - dynamiky chemických reakcí, odhalení jedinečných vlastností materiálů a získání nahlédnutí do základních mechanismů života. Po více než deseti letech úspěšného provozu dokončila LCLS kritickou upgrade známou jako LCLS - II. Upgradovaný systém zvyšuje míru opakování x - Ray pulzů z 120krát za sekundu na úžasný 1 milionkrát za sekundu, což je téměř desetinásobný nárůst. Tento skok vpřed vyvolává novou generaci experimentálních zařízení a výzkumných metod, což vědcům umožňuje řešit - Edge Scientific Quest, které byly kdysi považovány za mimo dosah.
Zachycení efektivních fotonů: skok od dnů do okamžiků
Mezi různými výzkumnými nástroji využívají spektrometry Qrixs a Chemrixs rezonanční neelastickou technologii X - Ray Scatterring (RIXS). Tato technologie pracuje osvětlením vzorku s X - pulzy, vzrušující jeho vnitřní - shell elektrony; Když se elektrony vrátí do svého stabilního stavu, uvolňují energii ve formě fotonů. Analýzou těchto emitovaných fotonů mohou vědci rekonstruovat střední procesy reakce a přesně sondovat elektronické vlastnosti kvantových materiálů.
Georgi Dakovski, hlavní vědec společnosti SLAC a vedoucí nástroje Qrixs, vysvětluje, že RIXS je technikou měření s extrémně nízkým výnosem signálu. V experimentech je drtivá většina incidentu X - paprskové fotony absorbovány nebo rozptýleny vzorkem a nikdy nedosáhnou detektoru. V průměru pouze jeden z všech miliard incidentů fotony vytváří účinný signál, který lze úspěšně detekovat. Georgi Dakovski uvádí: Na původní pulzní frekvenci LCL bylo zachycení i nejmenšího efektivního fotonu uměleckou formou, protože jsme museli dlouho čekat na hromadění dostatečných údajů. “
LCLS však nyní produkuje X - Ray pulzy rychlostí 100 až 10 000krát vyšší za sekundu. Měření RIXS, která kdysi trvala dny, lze nyní získat během několika minut nebo dokonce sekund.
Georgi Dakovski said: "This improvement has brought about remarkable changes. Not only has the speed of data acquisition significantly increased, but the clarity is also unprecedented. We can now observe in real-time how materials transform over time, track the transmission of energy within materials, and monitor the interactions between atomic components. We can 'film' these dynamic processes frame by frame, and all of this is thanks to the LCLS's významně vylepšené x - frekvence ray puls. "
Georgi Dakovski stojí vedle nástroje Qrixs
Letos na jaře po dokončení upgradů debutoval nástroj Qrixs. Jedná se o masivní zařízení vybavené 12 - Foot - dlouhý spektrometr schopný otočit 110 stupňů a využívá technologii RIXS ke studiu kvantové dynamiky pevných - stavových krystalických materiálů. Jeho velká velikost umožňuje vědcům analyzovat materiály v extrémně vysokém rozlišení z více úhlů, ale také vyžaduje velký vstup X - paprsků, aby získal vysoce kvalitní údaje. Tyto schopnosti jsou již dlouho naléhavou potřebou komunity uživatelů LCLS, ale vzhledem k extrémně vysokým požadavkům na fotony se teprve nyní staly proveditelnými.
Vědci nyní používají qrixs ke studiu materiálů, jako je vysoká - teplotní supravodiče, které mohou přenášet elektřinu s nulovou ztrátou energie. Hlubší pochopení základních kvantových jevů by mohlo vést k vývoji účinnějších kvantových počítačů, zlepšit zařízení pro zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) pro lékařské použití a umožnit ve velkém měřítku realizaci potenciálních bezbožných přenosových sítí.
Kristjan Kunnus s nástrojem Chemrixs
Zatímco qrixs se primárně používá pro výzkum kvantových materiálů, Chemrixs je speciálně navržen tak, aby analyzoval chemické vlastnosti kapalných vzorků, od ultra - čisté vody po chemická rozpouštědla. Chemrixs poskytuje vědcům podrobné vhled do chemických procesů, jako jsou mezilehlé kroky fotosyntézy, které by mohly v budoucnu potenciálně vést k rozvoji systémů umělé fotosyntézy.
Chemrixs byl nainstalován v roce 2021 a pracuje na linii paprsku LCLS již několik let a hromadí velké množství dat. Kristjan Kunnus, vědec SLAC a hlavní vyšetřovatel pro nástroj Chemrixs, uvedl, že významné zvýšení intenzity paprsků X- přinesené LCLS - II výrazně rozšířilo výzkumný potenciál zařízení. Řekl: „Dříve jsme nemohli studovat nízké - koncentrační solváty a museli jsme používat vyšší vzorky koncentrace -, které plně neodrážely chemické procesy za reálných - světových podmínek. Nyní můžeme analyzovat zředěné vzorky, které jsou skutečně důležité v chemických aplikacích a v minulosti, které byly v minulosti, což bylo v minulosti.
Zachycení molekulárních filmů: Sledování chemických reakcí na bilionii sekundy
V té době - Vyřešené atomové, molekulární a fotonické vědy (TMO) Endstation, více nových nástrojů využívá upgradované schopnosti LCLS - II ke studiu, jak elektrony iniciují různé procesy v biologii, chemii a vědy o materiálech. Jedním z nich je přístroj pro rozlišení multi - „Cookie Box“ (MRCO), jehož jádro je prstencové pole 16 elektronových detektorů navržených tak, aby plně využilo vyšší míru opakování LCLS. Kombinací tohoto pokročilého systému s ultrarychlými laserovými pulzy LCLS mohou vědci přesně určit, zda elektrony uniknou z molekul a měří energetické spektrum a úhlové rozdělení úniku elektronů s extrémně vysokou přesností. Tato měření umožňují vědcům vyřešit přenos náboje a energie v molekulárních systémech v přírodních časových úsecích tak krátký jako jedna biliony sekundy. Nakonec takový výzkum nejen testuje limity kvantové teorie, ale také poskytuje zásadní poznatky pro navrhování účinnějších katalyzátorů a paliv.
Razib Obaid, vědec SLAC a vedoucí nástroje MRCO, uvedl: již nejsme omezeni úzkým „pozorovacím oknem“ minulosti; Tato upgrade rozšířila vědecké hranice, které můžeme v každém experimentu prozkoumat. “
Jedním z nových členů terminálové stanice TMO je dynamický reakční mikroskop (sen). Jak název napovídá, sen je silný reakční mikroskop, který umožňuje vědcům pozorovat stav jednotlivých molekul během chemických transformací. Přístroj zaměřuje paprsek X - na jednu molekulu a postupně odstraňuje své elektrony, dokud molekula „nevybuchne“, přičemž všechny chemické vazby jsou zcela rozbité. Výsledné fragmenty jsou poté detekovány a použity k rekonstrukci strukturální mapy rozlišení molekuly s vysokým -. Akumulací milionů takových obrázků mohou vědci nakonec konstruovat molekulární - úroveň „filmu“ chemické reakce.
James Cryan, vedoucí vědec v SLAC a vedoucí nástroje TMO, uvedl: „Toto vybavení nám umožňuje porozumět jevům na nejzákladnější úrovni, jako je to, jak se fotochemické procesy, jako je vidění, přeměnu sluneční energie a fotosyntéza, jak se odehrává z jedné strany molekuly k druhé.“
Tato průlomová technologie se spoléhá výhradně na vysokou frekvenci Pulse Pulse LCLS LCLS. Abychom plně zachytili jedinou molekulární reakci, musí vědci pořídit obrazy z téměř milionu různých úhlů, což znamená miliony expozic X -. V roce 2020 tým vytvořil prototyp na existující linii paprsku pro ověření schopností. Strávili týden shromažďováním dat, ale mohli generovat pouze jeden rámec molekulárního filmu.
James Cryan řekl: „Za původních podmínek by to mohlo trvat roky, než se plně vyřešila jediná reakce. Nyní, když snem pracuje na upgradované LCLS Beamline, můžeme tyto procesy pozorovat zcela novým způsobem. Tento upgrade je zlomkem, což dříve nemožné výzkumy činí skutečností.“
Významné zvýšení kapacity sběru dat v LCLS nejen vytvořilo nové výzkumné metody, ale také vytvořilo obrovské množství dat pro školení základních modelů AI. Tyto modely AI mohou vědcům pomoci efektivněji shromažďovat data při prozkoumání nových materiálů a poskytovat skutečnou časovou pomoc operátorům během úprav paprsků. Matthias Kling, ředitel výzkumu a vývoje LCLS, uvedl: „Hluboká integrace této technologie AI nepochybně přetváří výzkumné prostředí a urychlí tempo vědeckého objevu.“
S vylepšeným výkonem a novým instrumentačním systémem upgrade LCLS - II výrazně rozšířila rozsah výzkumu LCLS. Vědci v současné době analyzují data z prvních experimentů a plánují letos provádět další experimenty. Očekává se, že vědecké objevy umožněné těmito pokročilými zařízeními dále prohloubí chápání zásadních procesů lidstva, které formují svět.
