Banyak misteri sains terdalam terletak pada skala mikroskopis. Untuk mengungkap misteri -misteri ini, para peneliti dari seluruh dunia berkumpul di Laboratorium Nasional Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) Departemen Energi AS untuk mengeksplorasi menggunakan Linear Coherent Light Source (LCLS).
Fungsi LCLS seperti mikroskop raksasa, memancarkan ultra - Bright x - pulsa ray dan mengarahkannya ke berbagai instrumen ilmiah presisi. Para ilmuwan menggunakannya untuk menangkap pergerakan atom instan, melacak dinamika waktu nyata - nyata dari reaksi kimia, mengungkap sifat unik bahan, dan mendapatkan wawasan tentang mekanisme mendasar kehidupan. Setelah lebih dari satu dekade operasi yang berhasil, LCLS telah menyelesaikan peningkatan kritis yang dikenal sebagai LCLS - II. Sistem yang ditingkatkan meningkatkan tingkat pengulangan x - pulsa ray dari 120 kali per detik menjadi 1 juta kali per detik, peningkatan hampir sepuluh kali lipat. Lompatan ke depan ini memunculkan generasi baru peralatan eksperimental dan metode penelitian, memungkinkan para ilmuwan untuk mengatasi pemotongan - edge pertanyaan ilmiah yang pernah dianggap di luar jangkauan.
Menangkap foton yang efektif: lompatan dari hari ke saat
Di antara berbagai instrumen penelitian, spektrometer QRIXS dan Chemrixs menggunakan resonansi inelastik x - ray hamburan (RIXS) teknologi. Teknologi ini bekerja dengan menerangi sampel dengan x - pulsa ray, menarik dalam - elektron shell; Ketika elektron kembali ke keadaan stabil mereka, mereka melepaskan energi dalam bentuk foton. Dengan menganalisis foton yang dipancarkan ini, para peneliti dapat merekonstruksi proses perantara dari reaksi dan secara tepat menyelidiki sifat elektronik bahan kuantum.
Georgi Dakovski, Kepala Ilmuwan di SLAC dan kepala instrumen QRIXS, menjelaskan bahwa Rixs adalah teknik pengukuran dengan hasil sinyal yang sangat rendah. Dalam percobaan, sebagian besar insiden x - foton sinar diserap atau tersebar oleh sampel dan tidak pernah mencapai detektor. Rata -rata, hanya satu dari setiap miliar foton insiden yang menghasilkan sinyal efektif yang dapat berhasil terdeteksi. Georgi Dakovski menyatakan: Pada frekuensi pulsa asli LCL, menangkap bahkan foton yang sedikit efektif adalah bentuk seni, karena kami harus menunggu lama untuk mengumpulkan data yang cukup. "
Namun, LCLS sekarang menghasilkan x - pulsa ray pada tingkat 100 hingga 10.000 kali lebih tinggi per detik. Pengukuran Rixs yang pernah membutuhkan waktu berhari -hari untuk menyelesaikan sekarang dapat diperoleh dalam hitungan menit atau bahkan detik.
Georgi Dakovski mengatakan: "Perbaikan ini telah membawa perubahan luar biasa. Tidak hanya memiliki kecepatan akuisisi data meningkat secara signifikan, tetapi kejelasannya juga belum pernah terjadi sebelumnya. Kita sekarang dapat mengamati dalam pembangkit yang ada di antara mereka, dan memantau interaksi yang dapat dikenakan pada waktu, dan memantau interaksi ini. LCLS ditingkatkan secara signifikan x - frekuensi pulsa ray. "
Georgi Dakovski berdiri di sebelah instrumen Qrixs
Musim semi ini, setelah penyelesaian peningkatan, instrumen QRIXS memulai debutnya. Ini adalah perangkat besar yang dilengkapi dengan 12 - kaki - 12 {{2} - yang mampu berputar 110 derajat, menggunakan teknologi RIXS untuk mempelajari dinamika kuantum dari bahan kristal keadaan padat-. Ukurannya yang besar memungkinkan para ilmuwan untuk menganalisis bahan pada resolusi yang sangat tinggi dari berbagai sudut, tetapi juga membutuhkan input besar sinar x - untuk mendapatkan data berkualitas tinggi. Kemampuan ini telah lama menjadi kebutuhan mendesak bagi komunitas pengguna LCLS, tetapi karena persyaratan foton yang sangat tinggi, mereka baru sekarang menjadi layak.
Para peneliti sekarang menggunakan QRIXS untuk mempelajari bahan -bahan seperti superkonduktor suhu tinggi-, yang dapat mentransmisikan listrik dengan kehilangan energi nol. Pemahaman yang lebih dalam tentang fenomena kuantum yang mendasarinya dapat mendorong pengembangan komputer kuantum yang lebih efisien, meningkatkan peralatan pencitraan resonansi magnetik (MRI) untuk penggunaan medis, dan memungkinkan realisasi potensi jaringan transmisi daya lossless dalam skala besar.
Kristjan Kunnus dengan instrumen Chemrixs
Sementara QRIX terutama digunakan untuk penelitian bahan kuantum, Chemrixs dirancang khusus untuk menganalisis sifat kimia sampel cair, mulai dari ultra - air murni hingga pelarut kimia. Chemrixs memberi para peneliti wawasan terperinci tentang proses kimia, seperti langkah -langkah perantara fotosintesis, yang berpotensi mengarah pada pengembangan sistem fotosintesis buatan di masa depan.
Chemrixs dipasang pada tahun 2021 dan telah beroperasi di LCLS Beamline selama beberapa tahun, mengumpulkan sejumlah besar data. Kristjan Kunnus, seorang ilmuwan SLAC dan peneliti utama untuk instrumen Chemrixs, menyatakan bahwa peningkatan yang signifikan dalam x - intensitas sinar yang dibawa oleh LCLS - II telah sangat memperluas potensi penelitian perangkat. Dia berkata, "Sebelumnya, kita tidak dapat mempelajari pelarut konsentrasi konsentrasi {5} {{6} yang rendah dan harus menggunakan sampel konsentrasi - yang lebih tinggi, yang tidak sepenuhnya mencerminkan proses kimia di bawah kondisi dunia yang benar -benar penting.
Menangkap Film Molekul: Melacak Reaksi Kimia pada trilion detik
Pada saat itu - endstation atomik, molekuler, dan fotonik (TMO), beberapa instrumen baru memanfaatkan kemampuan yang ditingkatkan dari LCL - II untuk mempelajari bagaimana elektron memulai berbagai proses dalam biologi, kimia, dan ilmu material. Salah satunya adalah resolusi multi - "kotak cookie" (MRCO), yang intinya adalah array cincin 16 detektor elektron yang dirancang untuk sepenuhnya memanfaatkan laju pengulangan LCLS yang lebih tinggi. Dengan menggabungkan sistem canggih ini dengan pulsa laser ultrafast LCLS, para peneliti dapat dengan tepat menentukan saat elektron keluar dari molekul dan mengukur spektrum energi dan distribusi sudut elektron yang melarikan diri dengan presisi yang sangat tinggi. Pengukuran ini memungkinkan para ilmuwan untuk menyelesaikan transfer muatan dan energi dalam sistem molekuler pada rentang waktu alami sesingkat satu triliun detik. Pada akhirnya, penelitian semacam itu tidak hanya menguji batas teori kuantum tetapi juga memberikan wawasan penting untuk merancang katalis dan bahan bakar yang lebih efisien.
Razib Obaid, seorang ilmuwan SLAC dan kepala instrumen MRCO, menyatakan: Kami tidak lagi dibatasi oleh 'jendela pengamatan' yang sempit di masa lalu; Peningkatan ini telah memperluas batas ilmiah yang dapat kita jelajahi dalam setiap percobaan. "
Salah satu anggota baru dari stasiun terminal TMO adalah mikroskop reaksi dinamis (mimpi). Seperti namanya, Dream adalah mikroskop reaksi yang kuat yang memungkinkan para peneliti untuk mengamati keadaan molekul individu selama transformasi kimia. Instrumen ini memfokuskan sinar x - pada molekul tunggal, secara bertahap melucuti elektronnya sampai molekul "meledak," dengan semua ikatan kimia benar -benar rusak. Fragmen yang dihasilkan kemudian terdeteksi dan digunakan untuk merekonstruksi peta struktur resolusi - yang tinggi dari molekul. Dengan mengumpulkan jutaan gambar tersebut, para peneliti pada akhirnya dapat membangun level molekul - "film" dari reaksi kimia.
James Cryan, seorang ilmuwan senior di SLAC dan kepala instrumen TMO, menyatakan, "Peralatan ini memungkinkan kita untuk memahami fenomena pada tingkat yang paling mendasar, seperti bagaimana proses fotokimia seperti penglihatan, konversi energi surya, dan fotosintesis yang terbentang, bagaimana DNA mentransfer energi ketika menyerap cahaya, dan bagaimana elektron bergerak dari satu sisi molekul ke sisi lain.
Teknologi terobosan ini sepenuhnya bergantung pada frekuensi pulsa kecepatan - tinggi LCLS. Untuk sepenuhnya menangkap reaksi molekuler tunggal, para peneliti perlu mengambil gambar dari hampir satu juta sudut yang berbeda, yang berarti jutaan paparan sinar X -. Pada tahun 2020, tim membangun prototipe pada beamline yang ada untuk verifikasi kemampuan. Mereka menghabiskan satu minggu mengumpulkan data tetapi hanya bisa menghasilkan satu bingkai film molekuler.
James Cryan berkata, "Dalam kondisi awal, mungkin perlu bertahun -tahun untuk menyelesaikan sepenuhnya satu reaksi. Sekarang, dengan mimpi yang beroperasi pada LCLS Beamline yang ditingkatkan, kita dapat mengamati proses ini dengan cara yang sama sekali baru. Peningkatan ini adalah titik balik, membuat penelitian yang sebelumnya mustahil menjadi kenyataan."
Peningkatan signifikan dalam kapasitas pengumpulan data di LCLS tidak hanya memunculkan metode penelitian baru tetapi juga menghasilkan sejumlah besar data untuk melatih model AI dasar. Model AI ini dapat membantu para peneliti mengumpulkan data secara lebih efisien untuk mengeksplorasi bahan baru dan memberikan bantuan waktu - nyata kepada operator selama penyesuaian beamline. Matthias Kling, Direktur Penelitian dan Pengembangan LCLS, menyatakan, "Integrasi mendalam dari teknologi AI ini tidak diragukan lagi akan membentuk kembali lanskap penelitian dan mempercepat laju penemuan ilmiah."
Dengan peningkatan kinerja dan sistem instrumentasi baru, peningkatan LCLS - II telah secara signifikan memperluas ruang lingkup penelitian LCLS. Para peneliti saat ini sedang menganalisis data dari percobaan pertama dan berencana untuk melakukan lebih banyak percobaan tahun ini. Penemuan ilmiah yang diaktifkan oleh fasilitas canggih ini diharapkan untuk semakin memperdalam pemahaman umat manusia tentang proses mendasar yang membentuk dunia.
