Рентгеновский лазер, излучающий самый мощный импульс!

Недавно ученые Национальной ускорительной лаборатории SLAC совершили крупный прорыв в области научных исследований. Они использовали установку Linear Accelerator Coherent Light Source (LCLS-II) в Калифорнии для успешного запуска самого мощного на сегодняшний день рентгеновского импульса.
Длительность этого импульса была настолько короткой, что всего за 4,4 триллионных доли секунды (аттосекунды) он генерировал почти 1 тераватт энергии - 1,000 раз больше, чем среднегодовая выработка электроэнергии атомной электростанцией.
LCLS-II — это усовершенствованная версия линейного когерентного источника света, размещенного в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США, рядом со Стэнфордским университетом в Менло-Парке, Калифорния. Устройство использует технологию лазера на свободных электронах для ускорения пучка электронов до скорости, близкой к скорости света, и колебания пучка через ряд магнитных полей для испускания интенсивных рентгеновских лучей. Эти рентгеновские лучи можно использовать для получения изображений крошечных объектов, таких как молекулы, для наблюдения за взаимодействиями между атомами внутри них.
LCLS-II может испускать до миллиона рентгеновских импульсов в секунду, в 8,000 раз больше, чем более ранние лазеры LCLS. Если объединить увеличенную частоту импульсов с увеличенным числом электронов в импульсе, новое устройство становится более чем в 10,000 раз ярче своего предшественника.
Примечательно, что LCLS-II может испускать до 1 миллиона рентгеновских импульсов в секунду, что в 8,000- раз больше, чем у предыдущего лазера LCLS. В сочетании с увеличенной частотой импульсов и большим количеством электронов в импульсе новое устройство более чем в 10,000 раз ярче своего предшественника. Кроме того, устройство может производить короткие импульсы в диапазоне от 10-50 фемтосекунд, с длительностью импульса до 250 фемтосекунд для низкоэнергетических рентгеновских лучей, и даже способно создавать очень короткие импульсы менее 10 фемтосекунд.
С такими короткими длинами волн, короткими импульсами и быстрыми повторениями лазеров ученые могут использовать устройство для наблюдения за химическими реакциями. По сути, каждый импульс может отображать конфигурацию атомов, участвующих в реакции, и эти изображения затем могут быть связаны вместе, чтобы создать эффект, похожий на молекулярный «пластилиновый фильм». В 2018 году на объекте LCLS успешно был создан фильм о человеческом зрении и химических процессах, участвующих в фотосинтезе, всего за 1,000 фемтосекунд.
LCLS-II не только способен получать изображения крошечных объектов, но и имеет точность до 1 ангстрема (10^-10 метров). Эта возможность позволит исследователям углубиться в атомные процессы в областях от биологических систем до фотоэлектричества и топливных элементов. В то же время лазерное устройство также поможет ученым глубже изучить такие физические явления, как сверхпроводимость, сегнетоэлектричество и магнетизм.
Одним из ключевых компонентов обновления является установка некоторых революционных технологий. В то время как более ранние педали газа работали при комнатной температуре, модернизированный LCLS-II использует сверхпроводящий узел педали газа, что позволяет ему работать при температурах вплоть до абсолютного нуля (-456 градусов по Фаренгейту или -271 градусов по Фаренгейту). LCLS-II также имеет лучшие магниты для качания электронного луча.
Хотя LCLS-II только начал работу, успех первых газовых педалей LCLS дал исследователям повод для оптимизма. Более 3,000 ученых использовали установку, опубликовав более 1450 статей. Будущие применения этого мощного излучателя рентгеновских импульсов многообещающи и, как ожидается, принесут новые идеи и прорывы в область научных исследований.