Ħafna mill-aktar misteri profondi tax-xjenza jinsabu moħbija fuq l-iskala mikroskopika. Biex jinkixfu dawn il-misteri, riċerkaturi minn madwar id-dinja qed jinġabru fid-Dipartiment tal-Enerġija ta 'l-Enerġija ta' Stanford Linear Accelerator Centre (SLAC) biex jesploraw l-użu ta 'sors ta' dawl koerenti lineari tiegħu (LCLs).
Il-LCLS jiffunzjona bħal mikroskopju ġgant, li jarmi ultra - jgħajjat x - pulsazzjonijiet tar-raġġi u jidderieġihom lejn diversi strumenti xjentifiċi ta 'preċiżjoni. Ix-xjentisti jużawha biex jaqbdu l-moviment istantanju tal-atomi, jsegwu d-dinamika tal-ħin reali - tar-reazzjonijiet kimiċi, jiskopru l-proprjetajiet uniċi tal-materjali, u jiksbu għarfien dwar il-mekkaniżmi fundamentali tal-ħajja. Wara aktar minn għaxar snin ta 'tħaddim ta' suċċess, l-LCLS temm aġġornament kritiku magħruf bħala LCLS - II. Is-sistema aġġornata żżid ir-rata ta 'ripetizzjoni ta' x - ir-raġġi pulsazzjonijiet minn 120 darba kull sekonda għal 1 miljun darba tal-għaġeb kull sekonda, żieda kważi għaxar darbiet. Din il-qabża 'l quddiem qed twassal għal ġenerazzjoni ġdida ta' tagħmir sperimentali u metodi ta 'riċerka, li tippermetti lix-xjenzati jindirizzaw il-qtugħ - Edge mistoqsijiet xjentifiċi li darba kienu meqjusa' l bogħod.
Qbid fotoni effettivi: qabża minn ġranet għal mumenti
Fost l-istrumenti varji ta 'riċerka, l-ispettrometri Qrixs u Chemrixs jużaw reżonanti inelastic x - teknoloġija tat-tifrix tar-raġġi (RIXS). Din it-teknoloġija taħdem billi ddawwal kampjun b'x - Pulses tar-raġġi, eċċitanti tagħha ġewwa - elettroni tal-qoxra; Meta l-elettroni jirritornaw għall-istat stabbli tagħhom, huma jirrilaxxaw l-enerġija fil-forma ta 'fotoni. Billi janalizzaw dawn il-fotoni emessi, ir-riċerkaturi jistgħu jibnu mill-ġdid il-proċessi intermedjarji tar-reazzjoni u jipprepara b'mod preċiż il-proprjetajiet elettroniċi ta 'materjali kwantistiċi.
Georgi Dakovski, xjenzat ewlieni fl-SLAC u l-kap tal-istrument QRIXS, jispjega li RIXS hija teknika ta 'kejl b'rendiment ta' sinjal estremament baxx. Fl-esperimenti, il-maġġoranza l-kbira tal-inċidenti x - fotoni tar-raġġi huma assorbiti jew imxerrdin mill-kampjun u qatt ma jilħqu d-ditekter. Bħala medja, wieħed minn kull biljun foton inċidentali jipproduċi sinjal effettiv li jista 'jinstab b'suċċess. Georgi Dakovski jiddikjara: Fil-frekwenza tal-polz oriġinali tal-LCLs, li taqbad anke l-iċken foton effettiv kienet forma ta 'arti, peress li kellna nistennew żmien twil biex nakkumulaw biżżejjed dejta. "
Madankollu, l-LCLs issa jipproduċu x - pulsazzjonijiet tar-raġġi b'rata 100 sa 10,000 darba ogħla fis-sekonda. Il-kejl RIXS li darba ħa jiem biex jitlesta issa jista 'jinkiseb f'minuti jew saħansitra sekondi.
Georgi Dakovski qal: "Dan it-titjib ġab bidliet notevoli. Mhux biss il-veloċità tal-akkwist tad-dejta żdiedet b'mod sinifikanti, iżda ċ-ċarezza hija wkoll bla preċedent. Nistgħu nosservaw fil-ħin reali - kif il-materjali jittrasformaw maż-żmien matul iż-żmien, jittraċċaw it-trasmissjoni ta 'l-enerġija fi ħdan il-materjali, u jimmonitorjaw l-interazzjonijiet bejn il-komponenti atomiċi. LCLS tejjeb b'mod sinifikanti x - Frekwenza tar-raġġi tal-polz. "
Georgi Dakovski tinsab ħdejn l-istrument Qrixs
Ir-rebbiegħa, wara t-tlestija ta 'aġġornamenti, l-istrument Qrixs iddebutta. Dan huwa apparat massiv mgħammar b'12 - sieq - spettrometru twil li kapaċi jdur 110 gradi, billi juża t-teknoloġija RIXS biex jistudja d-dinamika kwantistika ta 'materjali solidi - Materjali kristallin tal-istat. Id-daqs kbir tiegħu jippermetti lix-xjenzati janalizzaw materjali b'riżoluzzjoni estremament għolja minn angoli multipli, iżda jeħtieġ ukoll input kbir ta 'raġġi x - biex jiksbu dejta ta' kwalità għolja. Dawn il-kapaċitajiet ilhom ħtieġa urġenti għall-komunità tal-utenti tal-LCLS, iżda minħabba r-rekwiżiti tal-fotoni estremament għoljin, issa saru biss fattibbli.
Ir-riċerkaturi issa qed jużaw QRIXs biex jistudjaw materjali bħal superkondutturi għoljin - temperatura, li jistgħu jittrasmettu l-elettriku b'telf ta 'enerġija żero. Fehim aktar profond tal-fenomeni kwantistiċi sottostanti jista 'jmexxi l-iżvilupp ta' kompjuters quantum aktar effiċjenti, itejjeb it-tagħmir tal-immaġini b'reżonanza manjetika (MRI) għal użu mediku, u jippermetti r-realizzazzjoni ta 'netwerks ta' trasmissjoni potenzjali mingħajr telf ta 'enerġija fuq skala kbira.
Kristjan Kunnus bl-istrument Chemrixs
Filwaqt li QRIXS huwa primarjament użat għar-riċerka tal-materjali kwantistiċi, Chemrixs huwa ddisinjat speċifikament biex janalizza l-proprjetajiet kimiċi ta 'kampjuni likwidi, li jvarjaw minn ultra - ilma pur għal solventi kimiċi. Chemrixs jipprovdi lir-riċerkaturi b'għarfien dettaljat dwar proċessi kimiċi, bħall-passi intermedji ta 'fotosintesi, li potenzjalment jistgħu jwasslu għall-iżvilupp ta' sistemi ta 'fotosintesi artifiċjali fil-futur.
Chemrixs ġie installat fl-2021 u ilu jopera fuq il-linja tal-LCLS għal bosta snin, u akkumula ammont kbir ta 'dejta. Kristjan Kunnus, xjenzat SLAC u l-investigatur prinċipali għall-istrument Chemrixs, iddikjara li ż-żieda sinifikanti fl-intensità tar-raġġi x - miġjuba minn LCLS {- II espandiet bil-kbir il-potenzjal ta 'riċerka tal-apparat. Huwa qal, "Preċedentement, ma stajniex nistudjaw solvati ta 'konċentrazzjoni baxxa - u kellna nużaw kampjuni ta' konċentrazzjoni ogħla -, li ma jirriflettux kompletament il-proċessi kimiċi taħt kundizzjonijiet tad-dinja reali -. Issa, nistgħu tanalizzaw il-kampjuni dilwiti li huma tassew importanti f'applikazzjonijiet kimiċi u għadhom jiksbu data ta 'kwalità għolja -, li kienet sempliċement impossibbli fl-imgħoddi."
Qbid ta 'films molekulari: Traċċar ta' reazzjonijiet kimiċi fit-trilonth ta 'sekonda
Fil-ħin - Solvuti Atomic, Molecular, u Photonic Sciences (TMO) Endstation, strumenti ġodda multipli huma l-ingranaġġ tal-kapaċitajiet aġġornati ta 'LCLS - II biex tistudja kif l-elettroni jibdew diversi proċessi fil-bijoloġija, il-kimika, u x-xjenza tal-materjali. Waħda minn dawn hija r-riżoluzzjoni multi - "Cookie Box" (MRCO), li l-qalba tagħha hija firxa ta 'ċirku ta '16 -il ditekters ta' l-elettroni ddisinjati biex iwasslu kompletament ir-rata ta 'ripetizzjoni ogħla tal-LCLS. Billi jgħaqqdu din is-sistema avvanzata mal-impulsi tal-lejżer ultraveloċi tal-LCLS, ir-riċerkaturi jistgħu jindikaw b'mod preċiż il-mument li l-elettroni jaħarbu mill-molekuli u jkejlu l-ispettru tal-enerġija u d-distribuzzjoni angolari tal-elettroni li jaħarbu bi preċiżjoni estremament għolja. Dawn il-kejl jippermettu lix-xjenzati jsolvu t-trasferiment tal-ħlas u l-enerġija fi ħdan sistemi molekulari fi skali ta 'żmien naturali daqs triljun ta' sekonda. Fl-aħħar mill-aħħar, tali riċerka mhux biss tittestja l-limiti tat-teorija kwantistika iżda tipprovdi wkoll għarfien kruċjali għat-tfassil ta 'katalisti u karburanti aktar effiċjenti.
Razib Obaid, xjenzat SLAC u kap tal-istrument MRCO, iddikjara: Aħna m'għadniex limitati mit-'tieqa ta' osservazzjoni 'dejqa tal-passat; Dan l-aġġornament espandiet il-konfini xjentifiċi li nistgħu nesploraw f'kull esperiment. "
Wieħed mill-membri l-ġodda tal-istazzjon terminali TMO huwa l-mikroskopju ta 'reazzjoni dinamika (ħolma). Kif jissuġġerixxi l-isem, il-ħolma hija mikroskopju ta 'reazzjoni qawwi li jippermetti lir-riċerkaturi josservaw l-istat ta' molekuli individwali waqt trasformazzjonijiet kimiċi. L-istrument jiffoka raġġ tar-raġġi X - fuq molekula waħda, li jqaxxar gradwalment l-elettroni tiegħu sakemm il-molekula "tisplodi," bil-bonds kimiċi kollha miksura kompletament. Il-frammenti li jirriżultaw imbagħad jiġu skoperti u użati biex jibnu mill-ġdid - mappa strutturali ta 'riżoluzzjoni tal-molekula. Billi jakkumulaw miljuni ta 'immaġini bħal dawn, ir-riċerkaturi jistgħu fl-aħħar jibnu "film" molekulari - "film" tar-reazzjoni kimika.
James Cryan, xjenzat anzjan fl-SLAC u kap tal-istrument TMO, iddikjara, "Dan it-tagħmir jippermettilna nifhmu l-fenomeni fl-iktar livell fundamentali, bħal kif proċessi fotokimiċi bħall-vista, il-konverżjoni tal-enerġija solari, u l-fotosintesi jiżviluppaw, kif id-DNA jittrasferixxi l-enerġija meta jassorbi d-dawl, u kif l-elettroni jimxu minn naħa ta 'molekula għall-oħra."
Din it-teknoloġija avvanzata tiddependi kompletament fuq il-frekwenza tal-polz tal-veloċità għolja tal-LCLS -. Sabiex jaqbdu kompletament reazzjoni molekulari waħda, ir-riċerkaturi għandhom bżonn jieħdu immaġini minn kważi miljun angolu differenti, li jfisser miljuni ta 'esponimenti ta' raġġi X -. Fl-2020, it-tim bena prototip fuq il-linja tar-raġġ eżistenti għall-verifika tal-kapaċità. Huma qattgħu ġimgħa jiġbru dejta iżda setgħu jiġġeneraw biss qafas wieħed tal-film molekulari.
James Cryan qal, "Taħt il-kundizzjonijiet oriġinali, jista 'jkun li ħa snin biex issolvi reazzjoni waħda. Issa, bil-ħolma li topera fuq il-linja ta' l-LCLS aġġornata, nistgħu nosservaw dawn il-proċessi b'mod kompletament ġdid. Dan l-aġġornament huwa punt ta 'bidla, u jagħmel riċerka li qabel kienet impossibbli."
Iż-żieda sinifikanti fil-kapaċità tal-ġbir tad-dejta fil-LCLS mhux biss teħles metodi ta 'riċerka ġodda iżda wkoll iġġenerat ammonti massivi ta' dejta għat-taħriġ ta 'mudelli ta' AI fundamentali. Dawn il-mudelli AI jistgħu jgħinu lir-riċerkaturi jiġbru d-dejta b'mod aktar effiċjenti biex jesploraw materjali ġodda u jipprovdu assistenza tal-ħin reali - lill-operaturi waqt aġġustamenti tal-linja. Matthias Kling, direttur tar-riċerka u l-iżvilupp tal-LCLS, iddikjara, "L-integrazzjoni profonda ta 'din it-teknoloġija AI bla dubju se tfassal mill-ġdid il-pajsaġġ tar-riċerka u tħaffef il-pass tal-iskoperta xjentifika."
B'rendiment imsaħħa u sistema ta 'strumentazzjoni ġdida, l-aġġornament LCLS - II kiber b'mod sinifikanti l-ambitu tar-riċerka LCLS. Ir-riċerkaturi bħalissa qed janalizzaw dejta mill-ewwel esperimenti u qed jippjanaw li jwettqu aktar esperimenti din is-sena. L-iskoperti xjentifiċi ppermettiet minn dawn il-faċilitajiet avvanzati huma mistennija li jkomplu japprofondixxu l-fehim tal-umanità tal-proċessi fundamentali li jiffurmaw id-dinja.
