Много от най -дълбоките мистерии на науката лежат скрити в микроскопичния мащаб. За да разкрият тези мистерии, изследователи от цял свят се събират в Националната лаборатория на Министерството на американската Министерство на енергията (SLAC) на Министерството на енергетиката (SLAC), за да изследват, използвайки своя линеен кохерентен източник на светлина (LCLS).
LCLS функционира като гигантски микроскоп, излъчващ Ultra - Bright X - лъч импулси и ги насочва към различни научни инструменти за прецизност. Учените го използват за улавяне на мигновеното движение на атомите, проследяват реалната динамика на времето на химичните реакции, разкриват уникалните свойства на материалите и придобиват представа за основните механизми на живота. След повече от десетилетие на успешна работа, LCLS завърши критично надграждане, известно като LCLS - II. Обновената система увеличава скоростта на повторение на X - лъч импулси от 120 пъти в секунда до изумителни 1 милион пъти в секунда, почти десетократно увеличение. Този скок напред поражда ново поколение експериментално оборудване и методи на изследване, което позволява на учените да се справят с рязането - крайни научни въпроси, които някога са били считани за недостъпни.
Заснемане на ефективни фотони: скок от дни до моменти
Сред различните изследователски инструменти, спектрометри QRIXS и CHEMRIXS използват резонансна нееластична X - технология за разпръскване на лъчи (RIXS). Тази технология работи, като осветява проба с x - лъчева импулси, вълнуващи вътрешните му - черупкови електрони; Когато електроните се върнат в стабилното си състояние, те освобождават енергия под формата на фотони. Анализирайки тези излъчени фотони, изследователите могат да реконструират междинните процеси на реакцията и точно да проучат електронните свойства на квантовите материали.
Георги Даковски, главен учен в SLAC и ръководител на инструмента QRIXS, обяснява, че RIXS е техника на измерване с изключително нисък добив на сигнала. В експерименти по -голямата част от инцидента x - лъчеви фотони се абсорбират или разпръскват от пробата и никога не достигат до детектора. Средно само един от всеки милиард инцидентни фотони дава ефективен сигнал, който може да бъде успешно открит. Георги Даковски заявява: При оригиналната честота на пулса на LCL, улавянето на дори и най -малкия ефективен фотон беше форма на изкуство, тъй като трябваше да изчакаме дълго време, за да натрупаме достатъчно данни. "
Въпреки това, LCLS сега произвежда x - лъч импулси със скорост 100 до 10 000 пъти по -висока в секунда. RIXS измервания, които веднъж са отнели дни, вече могат да бъдат получени за минути или дори секунди.
Георги Даковски каза: „Това подобрение доведе до забележителни промени. Не само, че скоростта на събиране на данни значително се увеличи, но и яснотата е безпрецедентна. Сега можем да наблюдаваме в реални - време как материалите се трансформират с течение на времето, проследяват предаването на енергия в материалите и наблюдаваме взаимодействията между атомните компоненти. значително подобрена x - честота на импулс на лъчи. "
Георги Даковски стои до инструмента Qrixs
Тази пролет, след завършването на ъпгрейдите, инструментът QRIXS направи своя дебют. Това е масивно устройство, оборудвано с 12 - крак - дълъг спектрометър, способен да се върти 110 градуса, използвайки RIXS технологията за изследване на квантовата динамика на твърдото вещество - кристални материали. Големият му размер дава възможност на учените да анализират материали с изключително висока разделителна способност от множество ъгли, но също така изисква голям вход на x - лъчи, за да се получат висококачествени данни. Тези възможности отдавна са належаща нужда от потребителската общност на LCLS, но поради изключително високите изисквания за фотон, те едва сега стават осъществими.
Сега изследователите използват QRIX за изучаване на материали като високи - температурни свръхпроводници, които могат да предават електричество с нулева загуба на енергия. По -дълбокото разбиране на основните квантови явления може да доведе до развитието на по -ефективни квантови компютри, да подобри оборудването за магнитен резонанс (ЯМР) за медицинска употреба и да даде възможност за реализиране на потенциални мрежи за пренос без загуби в голям мащаб.
Kristjan Kunnus с инструмента Chemrixs
Докато QRIXS се използва предимно за изследване на квантовите материали, Chemrixs е специално проектиран да анализира химичните свойства на течните проби, вариращи от Ultra - чиста вода до химически разтворители. Chemrixs предоставя на изследователите подробна информация за химичните процеси, като междинните етапи на фотосинтезата, които потенциално биха могли да доведат до развитието на изкуствени системи за фотосинтеза в бъдеще.
Chemrixs е инсталиран през 2021 г. и работи на лъч на LCLS от няколко години, натрупвайки голямо количество данни. Kristjan Kunnus, учен SLAC и главният изследовател на инструмента Chemrixs, заяви, че значителното увеличаване на x - интензитета на лъчите, донесено от LCLS - II значително разшири изследователския потенциал на устройството. Той каза: "Преди това не можахме да изучаваме ниско - концентрация солвати и трябваше да използваме по -високи проби от концентрация-, които не отразяват напълно химичните процеси при реални - световни условия. Сега можем да анализираме разредените проби, които са наистина важни при химическите приложения в миналото.
Заснемане на молекулярни филми: проследяване на химическите реакции в трилионната секунда
По времето - разрешена атомна, молекулярна и фотонна наука (TMO) Endstation, множество нови инструменти използват модернизираните възможности на LCLS - II, за да изучават как електроните инициират различни процеси в биологията, химията и материалите. Едно от тях е инструментът за бисквитки с разделителна способност Multi - (MRCO), чието ядро е пръстен от 16 електронни детектори, предназначени да използват напълно по -високата скорост на повторение на LCLS. Чрез комбиниране на тази усъвършенствана система с ултрабързите лазерни импулси на LCLS, изследователите могат точно да определят момента, в който електроните избягат от молекулите и да измерват енергийния спектър и ъгловото разпределение на избягащите електрони с изключително висока точност. Тези измервания позволяват на учените да разрешат прехвърлянето на заряда и енергията в молекулярните системи в естествени времеви диапазони, до една трилионна от секундата. В крайна сметка подобни изследвания не само тестват границите на квантовата теория, но също така предоставят решаваща представа за проектирането на по -ефективни катализатори и горива.
Разиб Обайд, учен от SLAC и ръководител на инструмента MRCO, заяви: Ние вече не сме ограничени от тесния „прозорец за наблюдение“ на миналото; Това надграждане разшири научните граници, които можем да изследваме във всеки експеримент. "
Един от новите членове на терминалната станция TMO е динамичният реакционен микроскоп (Dream). Както подсказва името, Dream е мощен реакционен микроскоп, който дава възможност на изследователите да наблюдават състоянието на отделните молекули по време на химични трансформации. Инструментът фокусира лъча X - върху една молекула, като постепенно се отстранява електроните си, докато молекулата „избухне“, като всички химически връзки са напълно счупени. След това получените фрагменти се откриват и се използват за реконструкция на висока - структурна карта на молекулата. Чрез натрупването на милиони такива изображения, изследователите в крайна сметка могат да конструират молекулярно - ниво на „филм“ на химическата реакция.
Джеймс Криан, старши учен в SLAC и ръководител на инструмента TMO, заяви: „Това оборудване ни позволява да разберем явленията на най -фундаменталното ниво, като например как фотохимичните процеси като зрение, конверсия на слънчевата енергия и фотосинтеза се разгръщат, как ДНК прехвърля енергия, когато поглъща светлина и как електроните се движат от едната страна на молекула към другата.
Тази пробивна технология разчита изцяло на високата честота на импулса на LCLS -. За да уловят напълно една молекулярна реакция, изследователите трябва да правят изображения от близо милион различни ъгли, което означава милиони x - експозиции на лъчи. През 2020 г. екипът изгради прототип на съществуващата линия за проверка на способността. Те прекараха седмица в събиране на данни, но можеха да генерират само един кадър на молекулярния филм.
Джеймс Криан каза: "При първоначалните условия може да са били необходими години, за да се разреши напълно една реакция. Сега, когато мечтите, работещи на модернизираната лъчи на LCLS, можем да наблюдаваме тези процеси по напълно нов начин. Това надграждане е повратна точка, превръщайки преди това невъзможно изследване в реалност."
Значителното увеличаване на капацитета за събиране на данни в LCLS не само породи нови методи на изследване, но също така генерира огромни количества данни за обучение на основополагащи модели на ИИ. Тези модели на AI могат да помогнат на изследователите да събират данни по -ефективно, за да изследват нови материали и да предоставят истинска помощ - на операторите по време на корекциите на Beamline. Матиас Клинг, директор за научни изследвания и развитие на LCLS, заяви: „Дълбоката интеграция на тази AI технология несъмнено ще прекрои изследователския пейзаж и ще ускори темпото на научното откритие“.
С подобрена производителност и нова система за инструменти, надстройката на LCLS - II значително разшири обхвата на LCLS изследвания. В момента изследователите анализират данни от първите експерименти и планират да проведат повече експерименти тази година. Очаква се научните открития, активирани от тези усъвършенствани съоръжения, да задълбочат разбирането на човечеството за основните процеси, които оформят света.
