Beaucoup des mystères les plus profonds de la science sont cachés à l'échelle microscopique. Pour découvrir ces mystères, des chercheurs du monde entier se réunissent au Laboratoire national du Stanford Accelerator Center (SLAC) du département linéaire (SLAC) du département américain (SLAC) à l'aide de sa source de lumière cohérente linéaire (LCLS).
Le LCLS fonctionne comme un microscope géant, émettant des rayons ultra - brillants - et les dirigeant vers divers instruments scientifiques de précision. Les scientifiques l'utilisent pour capturer le mouvement instantané des atomes, suivre la dynamique temporelle réelle - des réactions chimiques, découvrir les propriétés uniques des matériaux et donner un aperçu des mécanismes fondamentaux de la vie. Après plus d'une décennie de fonctionnement réussi, le LCLS a terminé une mise à niveau critique connue sous le nom de LCLS - II. Le système amélioré augmente le taux de répétition de x - les rayons de rayons de 120 fois par seconde à un étonnant 1 million de fois par seconde, une augmentation de près de dix fois. Ce bond en avant donne naissance à une nouvelle génération d'équipements expérimentaux et de méthodes de recherche, permettant aux scientifiques de s'attaquer aux questions scientifiques de la coupe - qui étaient autrefois considérées comme hors de portée.
Capturer des photons efficaces: un saut de jours à moments
Parmi les différents instruments de recherche, les spectromètres Qrixs et Chemrixs utilisent la technologie de diffusion (Rixs) inélastique inélastique résonante. Cette technologie fonctionne en illuminant un échantillon avec des impulsions de rayons x -, excitant ses électrons de coquille intérieurs -; Lorsque les électrons reviennent à leur état stable, ils libèrent de l'énergie sous forme de photons. En analysant ces photons émis, les chercheurs peuvent reconstruire les processus intermédiaires de la réaction et sonder avec précision les propriétés électroniques des matériaux quantiques.
Georgi Dakovski, scientifique en chef au SLAC et tête de l'instrument Qrixs, explique que Rixs est une technique de mesure avec un rendement de signal extrêmement faible. Dans les expériences, la grande majorité des photons de rayons x - incidents sont absorbés ou dispersés par l'échantillon et n'atteignent jamais le détecteur. En moyenne, un seul des photons incidents sur chaque milliard produit un signal efficace qui peut être détecté avec succès. Georgi Dakovski déclare: à la fréquence d'impulsion d'origine des LCL, capturant même le moindre photon efficace était une forme d'art, car nous avons dû attendre longtemps pour accumuler des données suffisantes. "
Cependant, le LCLS produit désormais des rayons x - à un taux de 100 à 10 000 fois plus élevé par seconde. Les mesures de Rix qui ont pris des jours pour terminer peuvent désormais être obtenues en quelques minutes, voire quelques secondes.
Georgi Dakovski a déclaré: "Cette amélioration a provoqué des changements remarquables. Non seulement la vitesse d'acquisition de données a considérablement augmenté, mais la clarté est également sans précédent. Nous pouvons maintenant observer dans les matériaux -, la transmission de l'énergie dans les matériaux, et surveiller les interactions entre les composants atomiques. Nous pouvons" film La fréquence d'impulsion de rayons X - de LCLS. "
Georgi Dakovski se dresse à côté de l'instrument Qrixs
Ce printemps, après l'achèvement des mises à niveau, l'instrument Qrixs a fait ses débuts. Il s'agit d'un appareil massif équipé d'un spectromètre long 12 - - capable de rotation de 110 degrés, en utilisant la technologie Rixs pour étudier la dynamique quantique des matériaux crimains de l'état solide -. Sa grande taille permet aux scientifiques d'analyser les matériaux à une résolution extrêmement élevée sous plusieurs angles, mais il nécessite également une grande entrée de rayons x - pour obtenir des données de haute qualité. Ces capacités sont depuis longtemps un besoin urgent de la communauté des utilisateurs LCLS, mais en raison des exigences de photons extrêmement élevées, ils ne sont que désormais possibles.
Les chercheurs utilisent désormais des QRIX pour étudier des matériaux tels que les supraconducteurs de température élevés -, qui peuvent transmettre l'électricité avec une perte d'énergie nulle. Une compréhension plus approfondie des phénomènes quantiques sous-jacents pourrait stimuler le développement d'ordinateurs quantiques plus efficaces, améliorer l'équipement d'imagerie par résonance magnétique (IRM) à des fins médicales et permettre la réalisation de réseaux de transmission de puissance sans perte potentiels à grande échelle.
Kristjan Kunnus avec l'instrument Chemrixs
Alors que QRIXS est principalement utilisé pour la recherche sur les matériaux quantiques, Chemrixs est spécifiquement conçu pour analyser les propriétés chimiques des échantillons de liquide, allant de l'eau pure - aux solvants chimiques. Chemrixs fournit aux chercheurs un aperçu détaillé des processus chimiques, tels que les étapes intermédiaires de la photosynthèse, ce qui pourrait potentiellement conduire au développement de systèmes de photosynthèse artificielle à l'avenir.
Chemrixs a été installé en 2021 et fonctionne sur la ligne de faisceau LCLS depuis plusieurs années, accumulant une grande quantité de données. Kristjan Kunnus, scientifique du SLAC et chercheur principal de l'instrument Chemrixs, a déclaré que l'augmentation significative de l'intensité des rayons X - apportée par LCLS - II a considérablement élargi le potentiel de recherche du dispositif. Il a déclaré: "Auparavant, nous ne pouvions pas étudier les solvations de concentration faible - et avons dû utiliser des échantillons de concentration plus élevés -, qui ne reflétaient pas pleinement les processus chimiques dans des conditions mondiales réelles -. Maintenant, nous pouvons analyser les échantillons de dilute qui sont vraiment importants dans les applications chimiques et encore une -}}} des données de qualité, qui sont simplement impossibles."
Capturer les films moléculaires: suivi des réactions chimiques au trillionème de seconde
À l'époque - a résolu les sciences atomiques, moléculaires et photoniques (TMO), plusieurs nouveaux instruments tirent parti des capacités améliorées de LCLS - II pour étudier comment les électrons initient divers processus en biologie, chimie et sciences des matériaux. L'un d'eux est l'instrument Multi - «Box Box» (MRCO) de résolution, dont le noyau est un réseau d'anneaux de 16 détecteurs d'électrons conçus pour tirer pleinement parti du taux de répétition plus élevé du LCLS. En combinant ce système avancé avec les impulsions laser ultra-rapides de la LCLS, les chercheurs peuvent précisément déterminer le moment où les électrons s'échappent des molécules et mesurer le spectre d'énergie et la distribution angulaire des électrons en évasion avec une précision extrêmement élevée. Ces mesures permettent aux scientifiques de résoudre le transfert de charge et d'énergie au sein des systèmes moléculaires à des échelles de temps naturels aussi courtes que un milliard de secondes. En fin de compte, de telles recherches testent non seulement les limites de la théorie quantique, mais fournissent également des informations cruciales pour la conception de catalyseurs et de carburants plus efficaces.
Razib Obaid, scientifique SLAC et chef de l'instrument MRCO, a déclaré: Nous ne sommes plus contraints par la «fenêtre d'observation» étroite du passé; Cette mise à niveau a élargi les limites scientifiques que nous pouvons explorer dans chaque expérience. "
L'un des nouveaux membres de la station de terminal TMO est le microscope de réaction dynamique (rêve). Comme son nom l'indique, Dream est un microscope réactionnel puissant qui permet aux chercheurs d'observer l'état des molécules individuelles pendant les transformations chimiques. L'instrument concentre un faisceau de rayons x - sur une seule molécule, dépouillant progressivement ses électrons jusqu'à ce que la molécule "explose", avec toutes les liaisons chimiques complètement cassées. Les fragments résultants sont ensuite détectés et utilisés pour reconstruire une carte structurelle de résolution - élevée de la molécule. En accumulant des millions de ces images, les chercheurs peuvent finalement construire un "film" moléculaire - de la réaction chimique.
James Cryan, un scientifique principal au SLAC et à la tête de l'instrument TMO, a déclaré: "Cet équipement nous permet de comprendre les phénomènes au niveau le plus fondamental, tels que la façon dont les processus photochimiques tels que la vision, la conversion de l'énergie solaire et la photosynthèse se déroulent, comment l'ADN transfère l'énergie lors de l'absorption de la lumière, et comment les électrons se déplacent d'un côté d'une molécule à l'autre."
Cette technologie révolutionnaire repose entièrement sur la fréquence d'impulsion de vitesse élevée du LCLS -. Pour capturer pleinement une seule réaction moléculaire, les chercheurs doivent prendre des images sous près d'un million d'angles différents, ce qui signifie des millions d'expositions X -. En 2020, l'équipe a construit un prototype sur la ligne de faisceau existante pour la vérification des capacités. Ils ont passé une semaine à collecter des données mais ne pouvaient générer qu'un seul cadre du film moléculaire.
James Cryan a déclaré: "Dans les conditions d'origine, il aurait pu avoir des années pour résoudre pleinement une seule réaction. Maintenant, Dream opérant sur la ligne de faisceau LCLS améliorée, nous pouvons observer ces processus d'une manière complètement nouvelle. Cette mise à niveau est un tournant, faisant de la recherche auparavant impossible une réalité."
L'augmentation significative de la capacité de collecte de données à LCLS a non seulement engendré de nouvelles méthodes de recherche, mais a également généré des quantités massives de données pour la formation de modèles d'IA fondamentaux. Ces modèles d'IA peuvent aider les chercheurs à collecter des données plus efficacement pour explorer de nouveaux matériaux et fournir une assistance temporelle réelle - aux opérateurs lors des ajustements de ligne de faisceau. Matthias Kling, directeur de la recherche et du développement de LCLS, a déclaré: "L'intégration profonde de cette technologie d'IA sera sans aucun doute remodeler le paysage de recherche et accélérer le rythme de la découverte scientifique."
Avec des performances améliorées et un nouveau système d'instrumentation, la mise à niveau LCLS - II a considérablement élargi la portée de la recherche LCLS. Les chercheurs analysent actuellement les données des premières expériences et prévoient de mener plus d'expériences cette année. Les découvertes scientifiques activées par ces installations avancées devraient approfondir la compréhension de l'humanité des processus fondamentaux qui façonnent le monde.
