Многие из самых глубоких загадок науки находятся в микроскопическом масштабе. Чтобы раскрыть эти загадки, исследователи со всего мира собираются в Национальной лаборатории Министерства Линейного ускорителя Министерства энергетики США (SLAC), чтобы исследовать его линейный когерентный источник света (LCLS).
LCLS функционирует как гигантский микроскоп, излучающий Ultra - Bright x - Импульсы лучей и направляет их к различным научным инструментам. Ученые используют его для захвата мгновенного движения атомов, отслеживать реальную - динамику химических реакций, раскрыть уникальные свойства материалов и получить представление о фундаментальных механизмах жизни. После более чем десятилетия успешной работы LCLS завершила критическое обновление, известное как LCLS - II. Модернизированная система увеличивает скорость повторения x - импульсных импульсов из 120 раз в секунду до удивительного 1 миллиона раз в секунду, что почти в десять раз. Этот прыжок вперед вызывает новое поколение экспериментального оборудования и методов исследований, что позволяет ученым решать сокращение - преимущество научных вопросов, которые когда -то были недоступны.
Захват эффективных фотонов: прыжок с дни к моментам
Среди различных исследовательских инструментов в спектрометрах QRixs и Chemrix используются резонансные неэластичные x - технологию рассеяния луча (RIXS). Эта технология работает путем освещения образца с x - лучами лучей, захватывая его внутреннюю - Shell Electrons; Когда электроны возвращаются в свое стабильное состояние, они высвобождают энергию в виде фотонов. Анализируя эти испускаемые фотоны, исследователи могут реконструировать промежуточные процессы реакции и точно исследовать электронные свойства квантовых материалов.
Георги Даковски, главный ученый в SLAC и глава инструмента QRIXS, объясняет, что Rixs - это метод измерения с чрезвычайно низким выходом сигнала. В экспериментах подавляющее большинство инцидентов x - фотонов луча поглощаются или рассеяны образцом и никогда не достигают детектора. В среднем, только один из каждых миллиардов инцидентных фотонов дает эффективный сигнал, который может быть успешно обнаружен. Георгия Даковски заявляет: при исходной частоте импульсов LCLS захват даже малейший эффективный фотон был формой искусства, так как нам пришлось долго ждать, чтобы накапливать достаточные данные ».
Тем не менее, LCLS теперь производит x - лучей импульсы со скоростью в 100-10000 раз в секунду. Измерения Rixs, которые когда -то потребовались дни для завершения, теперь могут быть получены за считанные минуты или даже секунды.
Георги Даковски сказал: «Это улучшение привело к значительным изменениям. Не только скорость сбора данных значительно увеличилась, но и ясность также беспрецедентна. Теперь мы можем наблюдать за реальным временем, как материалы трансформируются со временем, отслеживают энергию в материалах и контролируем взаимодействия между атомами. Значительно улучшенная x -}}.
Георги Даковский стоит рядом с инструментом Qrixs
Этой весной, после завершения обновлений, инструмент Qrixs дебютировал. Это массивное устройство, оснащенное 12 - foot - длинный спектрометр, способный вращать 110 градусов, используя технологию Rixs для изучения квантовой динамики твердых веществ - кристаллических материалов состояния. Его большой размер позволяет ученым анализировать материалы с чрезвычайно высоким разрешением с разных углов, но для получения высококачественных данных также требуется большой ввод x -. Эти возможности долгое время были насущной потребностью в сообществе пользователей LCLS, но из -за чрезвычайно высоких требований к фотонам они только сейчас стали возможными.
Исследователи в настоящее время используют QRIXS для изучения материалов, таких как High - температурные сверхпроводники, которые могут передавать электроэнергию с нулевой потерей энергии. Более глубокое понимание основных квантовых явлений может стимулировать разработку более эффективных квантовых компьютеров, улучшить оборудование для магнитно -резонансной томографии (МРТ) для медицинского использования и обеспечить реализацию потенциальных сетей передачи передачи без потерь в больших масштабах.
Кристджан Куннус с инструментом Chemrixs
В то время как QRixs в основном используется для исследования квантовых материалов, Chemrixs специально разработана для анализа химических свойств жидких образцов, начиная от Ultra - чистой воды до химических растворителей. Chemrixs предоставляет исследователям подробную информацию о химических процессах, таких как промежуточные шаги фотосинтеза, которые потенциально могут привести к разработке искусственных систем фотосинтеза в будущем.
Chemrixs была установлена в 2021 году и работает на линии луча LCLS в течение нескольких лет, накапливая большое количество данных. Кристджан Куннус, ученый для SLAC и главный исследователь инструмента Chemrixs, заявил, что значительное увеличение интенсивности x -}, вызванного LCLS - II, значительно расширило потенциал исследования устройства. Он сказал: «Ранее мы не могли изучать низкие - концентрационные сольвата и должны были использовать более высокие образцы концентрации-, которые не полностью отражали химические процессы в реальных условиях- мира. Теперь мы можем проанализировать разбавленные образцы, которые действительно важны в химических приложениях, и все еще получают высокие данные {9-, которые просто невозможно, что невозможно, что невозможно.
Захват молекулярных фильмов: отслеживание химических реакций на триллионсе
В то время - Endstation Atomic, Molecular и Photonic Sciences (TMO), несколько новых инструментов используют обновленные возможности LCLS - II, чтобы изучить, как электроны инициируют различные процессы в биологии, химии и материалостике. Одним из них является инструмент Multi - Resolution "Cookie Box" (MRCO), ядра которого представляет собой кольцевой массив из 16 детекторов электронов, предназначенных для полного использования более высокой частоты повторения LCLS. Объединив эту передовую систему со сверхбызлыми лазерными импульсами LCLS, исследователи могут точно определить момент, когда электроны выходят из молекул и измерить энергетический спектр и угловое распределение электронов с чрезвычайно высокой точностью. Эти измерения позволяют ученым разрешать перенос заряда и энергию в молекулярных системах в естественных временных масштабах всего на один триллионс секунды. В конечном счете, такое исследование не только проверяет пределы квантовой теории, но также дает решающую информацию о разработке более эффективных катализаторов и топлива.
Разиб Обаид, ученый для SLAC и глава инструмента MRCO, заявил: мы больше не ограничены узким «окном наблюдения» прошлого; Это обновление расширило научные границы, которые мы можем исследовать в каждом эксперименте ».
Одним из новых членов терминальной станции TMO является динамический реакционный микроскоп (DREAM). Как следует из названия, Dream - это мощный реакционный микроскоп, который позволяет исследователям наблюдать состояние отдельных молекул во время химических преобразований. Инструмент фокусирует x - луча луча на одной молекуле, постепенно убирая его электроны, пока молекула не взрывается », со всеми химическими связями полностью сломаны. Полученные фрагменты затем обнаруживаются и используются для реконструкции структурной карты резолюции высокого-. Накапливая миллионы таких изображений, исследователи в конечном итоге могут построить молекулярный - xembel «пленка» химической реакции.
Джеймс Крайан, старший научный сотрудник SLAC и глава инструмента TMO, заявил: «Это оборудование позволяет нам понимать явления на самом фундаментальном уровне, например, как разворачиваются фотохимические процессы, такие как зрение, преобразование солнечной энергии и фотосинтез, как ДНК передает энергию при поглощении света и как электроны перемещаются с одной стороны молекулы к другой».
Эта прорывная технология полностью зависит от высокой частоты импульса LCLS -. Чтобы полностью захватить одну молекулярную реакцию, исследователи должны снимать изображения с почти миллиона разных углов, что означает миллионы x - воздействия лучей. В 2020 году команда создала прототип на существующей линии луча для проверки возможностей. Они потратили неделю, собирая данные, но могли генерировать только один кадр молекулярной пленки.
Джеймс Крайан сказал: «В соответствии с первоначальными условиями потребовалось годы, чтобы полностью разрешить одну реакцию. Теперь, когда Dream работает на обновленной линии LCLS Beam, мы можем наблюдать за этими процессами совершенно новым способом. Это обновление является поворотным моментом, что делает ранее невозможные исследования реальностью».
Значительное увеличение числа сборов данных в LCLS не только породило новые методы исследования, но также создал огромные объемы данных для обучения основополагающих моделей ИИ. Эти модели ИИ могут помочь исследователям более эффективно собирать данные для изучения новых материалов и обеспечения реальной - времени операторам во время корректировки линии луча. Матиас Клинг, директор по исследованиям и разработкам LCLS, заявил: «Глубокая интеграция этой технологии ИИ, несомненно, изменит исследовательский ландшафт и ускорит темпы научного открытия».
С повышенной производительностью и новой системой инструментов обновление LCLS - II значительно расширило объем исследований LCLS. Исследователи в настоящее время анализируют данные первых экспериментов и планируют провести больше экспериментов в этом году. Ожидается, что научные открытия, включенные этими передовыми объектами, еще больше углубит понимание человечества фундаментальных процессов, которые формируют мир.
