Många av de djupaste mysterierna med vetenskapen ligger dolda i den mikroskopiska skalan. För att avslöja dessa mysterier samlas forskare från hela världen vid US Department of Energy's Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) National Laboratory för att utforska med sin linjära sammanhängande ljuskälla (LCLS).
LCLS fungerar som ett gigantiskt mikroskop som avger Ultra - Bright X - Ray -pulser och leder dem till olika precisionsvetenskapliga instrument. Forskare använder den för att fånga den omedelbara rörelsen av atomer, spåra den verkliga - tidsdynamiken för kemiska reaktioner, avslöja de unika egenskaperna hos material och få insikter i livets grundläggande mekanismer. Efter över ett decennium av framgångsrik drift har LCLS slutfört en kritisk uppgradering som kallas LCLS - ii. Det uppgraderade systemet ökar repetitionshastigheten för x - Ray -pulser från 120 gånger per sekund till en häpnadsväckande 1 miljon gånger per sekund, en nästan tiofaldig ökning. Detta språng framåt ger upphov till en ny generation av experimentell utrustning och forskningsmetoder, vilket gör det möjligt för forskare att hantera skärning - edge vetenskapliga frågor som en gång ansågs utom räckhåll.
Fånga effektiva fotoner: Ett språng från dagar till ögonblick
Bland de olika forskningsinstrumenten använder QRIXS och Chemrixs spektrometrar Resonant Inelastic X - Ray Scattering (RIXS) -teknologi. Denna teknik fungerar genom att belysa ett prov med X - Ray -pulser, spännande dess inre - skalelektroner; När elektronerna återgår till sitt stabila tillstånd släpper de energi i form av fotoner. Genom att analysera dessa utsända fotoner kan forskare rekonstruera reaktionsprocesserna och exakt undersöka de elektroniska egenskaperna hos kvantmaterial.
Georgi Dakovski, chefforskare vid SLAC och chef för QRIXS -instrumentet, förklarar att RIXS är en mätningsteknik med extremt låg signalutbyte. I experiment absorberas eller sprids den stora majoriteten av incidenten x - strålfotoner av provet och når aldrig detektorn. I genomsnitt ger endast en av varje miljard incidentfotoner en effektiv signal som framgångsrikt kan upptäckas. Georgi Dakovski säger: Vid den ursprungliga pulsfrekvensen för LCL: erna var det att fånga till och med den minsta effektiva fotonen en konstform, eftersom vi var tvungna att vänta länge på att samla tillräckligt med data. "
LCLS producerar emellertid nu x - Ray -pulser med en hastighet 100 till 10 000 gånger högre per sekund. RIXS -mätningar som en gång tog dagar att slutföra kan nu erhållas på några minuter eller till och med sekunder.
Georgi Dakovski sa: "Denna förbättring har medfört anmärkningsvärda förändringar. Inte bara har hastigheten för datainsamling avsevärt ökat, utan tydligheten är också enastående. Vi kan nu observera i verkliga - tid hur material förvandlas över tid, spåra överföringen av energi inom material och övervaka interaktioner mellan atomiska komponenter. LCLS: s signifikant förbättrade X - Ray Pulse Frekvens. "
Georgi Dakovski står bredvid Qrixs instrument
I vår, efter avslutad uppgraderingar, debuterade QRIXS -instrumentet. Detta är en massiv anordning utrustad med en 12 - fot - lång spektrometer som kan rotera 110 grader, med RIXS -teknik för att studera kvantdynamiken för fast - tillstånd kristallinmaterial. Dess stora storlek gör det möjligt för forskare att analysera material med extremt hög upplösning från flera vinklar, men det kräver också en stor ingång av x - strålar för att erhålla data av hög kvalitet. Dessa funktioner har länge varit ett pressande behov av LCLS -användargemenskapen, men på grund av de extremt höga fotonkraven har de först nu blivit genomförbara.
Forskare använder nu qrixs för att studera material såsom hög - temperatur superledare, som kan överföra elektricitet med noll energiförlust. En djupare förståelse av de underliggande kvantfenomenen kan driva utvecklingen av effektivare kvantdatorer, förbättra magnetisk resonansavbildning (MRI) för medicinskt bruk och möjliggöra förverkligande av potentiella förlustfria kraftöverföringsnät i stor skala.
Kristjan Kunnus med Chemrixs instrument
Medan QRIX: er främst används för forskning om kvantmaterial, är kemrixer specifikt utformat för att analysera de kemiska egenskaperna hos vätskeprover, allt från Ultra - rent vatten till kemiska lösningsmedel. Chemrixs ger forskare detaljerade insikter i kemiska processer, såsom de mellanliggande stegen för fotosyntesen, vilket potentiellt kan leda till utvecklingen av konstgjorda fotosyntessystem i framtiden.
Chemrixs installerades 2021 och har arbetat på LCLS -strålen i flera år, och samlade en stor mängd data. Kristjan Kunnus, en SLAC -forskare och den huvudsakliga utredaren för Chemrixs -instrumentet, uppgav att den betydande ökningen av x - strålintensitet som lcls - II har utvidgat enhetens forskningspotential. Han sa: "Tidigare kunde vi inte studera låg - koncentrationssolvater och var tvungna att använda högre - koncentrationsprover, som inte helt återspeglar de kemiska processerna under verkliga - världsförhållanden. Nu kan vi analysera de utspädda prover som verkligen är viktiga i kemiska tillämpningar och fortfarande få höga {}}}}} kvalitet, vilket är helt enkelt omöjligt.
Fånga molekylära filmer: Spåra kemiska reaktioner vid en stag
Vid den tiden - Löst atom-, molekylära och fotoniska vetenskaper (TMO) slutar flera nya instrument som utnyttjar de uppgraderade kapaciteterna för LCLS - II för att studera hur elektroner initierar olika processer i biologi, kemi och materialvetenskap. Ett av dessa är multi - upplösning "Cookie Box" (MRCO) -instrumentet, vars kärna är en ringgrupp med 16 elektrondetektorer som är utformade för att fullt ut utnyttja LCLS: s högre repetitionsfrekvens. Genom att kombinera detta avancerade system med LCLS: s ultrasnabba laserpulser kan forskare exakt fastställa det ögonblick som elektroner flyr från molekyler och mäta energispektrumet och vinkelfördelningen av de flyktande elektronerna med extremt hög precision. Dessa mätningar gör det möjligt för forskare att lösa överföring av laddning och energi inom molekylsystem vid naturliga tidsskalor så korta som en biljon av en sekund. I slutändan testar sådan forskning inte bara gränserna för kvantteori utan ger också avgörande insikter för att utforma effektivare katalysatorer och bränslen.
Razib Obaid, en SLAC -forskare och chef för MRCO -instrumentet, uttalade: Vi är inte längre begränsade av det smala "observationsfönstret" i det förflutna; Denna uppgradering har utökat de vetenskapliga gränserna vi kan utforska i varje experiment. "
En av de nya medlemmarna i TMO -terminalstationen är det dynamiska reaktionsmikroskopet (DREAM). Som namnet antyder är Dream ett kraftfullt reaktionsmikroskop som gör det möjligt för forskare att observera tillståndet för enskilda molekyler under kemiska transformationer. Instrumentet fokuserar en x - Ray -stråle på en enda molekyl, gradvis avlägsnar sina elektroner tills molekylen "exploderar", med alla kemiska bindningar helt trasiga. De resulterande fragmenten detekteras sedan och användes för att rekonstruera en hög - upplösningens strukturella karta över molekylen. Genom att samla miljoner sådana bilder kan forskare i slutändan konstruera en molekylär - -film "av den kemiska reaktionen.
James Cryan, seniorforskare vid SLAC och chef för TMO -instrumentet, sade: "Denna utrustning tillåter oss att förstå fenomen på den mest grundläggande nivån, till exempel hur fotokemiska processer som syn, solenergiomvandling och fotosyntes utvecklas, hur DNA överför energi när de absorberar ljus och hur elektroner rör sig från en sida av en molekyl till den andra."
Denna genombrottsteknologi förlitar sig helt på LCLS: s höga - hastighetspulsfrekvens. För att fullt ut fånga en enda molekylreaktion måste forskare ta bilder från nästan en miljon olika vinklar, vilket innebär att miljontals x - Ray -exponeringar. År 2020 byggde teamet en prototyp på den befintliga strålen för kapacitetsverifiering. De tillbringade en vecka på att samla in data men kunde bara generera en enda ram av molekylfilmen.
James Cryan sa: "Under de ursprungliga förhållandena kan det ha tagit flera år att helt lösa en enda reaktion. Nu, med dröm som fungerar på den uppgraderade LCLS -strålen, kan vi observera dessa processer på ett helt nytt sätt. Denna uppgradering är en vändpunkt, vilket gör tidigare omöjlig forskning till verklighet."
Den betydande ökningen av datainsamlingskapaciteten vid LCLS har inte bara skapat nya forskningsmetoder utan också genererat enorma mängder data för utbildning av grundläggande AI -modeller. Dessa AI -modeller kan hjälpa forskare att samla in data mer effektivt för att utforska nya material och ge verkliga - tidshjälp till operatörerna under strålningsjusteringar. Matthias Kling, LCLS forsknings- och utvecklingsdirektör, sade: "Den djupa integrationen av denna AI -teknik kommer utan tvekan att omforma forskningslandskapet och påskynda takten i vetenskaplig upptäckt."
Med förbättrad prestanda och ett nytt instrumenteringssystem har LCLS - II -uppgradering avsevärt utökat omfattningen av LCLS -forskning. Forskare analyserar för närvarande data från de första experimenten och planerar att genomföra fler experiment i år. De vetenskapliga upptäckterna som möjliggörs av dessa avancerade anläggningar förväntas ytterligare fördjupa mänsklighetens förståelse av de grundläggande processerna som formar världen.
