بسیاری از عمیق ترین رازهای علمی در مقیاس میکروسکوپی پنهان شده اند. برای کشف این رازها ، محققان از سراسر جهان در آزمایشگاه ملی مرکز شتاب دهنده خطی استنفورد (SLAC) در وزارت انرژی ایالات متحده جمع می شوند تا با استفاده از منبع نور منسجم خطی (LCLS) خود را کشف کنند.
عملکرد LCLS مانند یک میکروسکوپ غول پیکر ، انتشار پالس اشعه ایکس فوق العاده ای و هدایت آنها به ابزارهای مختلف علمی دقیق. دانشمندان از آن برای ضبط حرکت فوری اتمها ، پیگیری پویایی در زمان واقعی واکنشهای شیمیایی ، کشف خصوصیات منحصر به فرد مواد و به دست آوردن بینش در مکانیسم های اساسی زندگی استفاده می کنند. پس از گذشت بیش از یک دهه از عملکرد موفقیت آمیز ، LCL ها یک نسخه مهم را به نام LCLS-II به پایان رسانده اند. سیستم به روز شده میزان تکرار پالس های اشعه ایکس را از 120 بار در ثانیه به 1 میلیون بار در ثانیه حیرت انگیز افزایش می دهد ، که تقریباً ده برابر افزایش می یابد. این جهش به جلو باعث ایجاد نسل جدیدی از تجهیزات تجربی و روشهای تحقیق می شود و دانشمندان را قادر می سازد تا سؤالات علمی برآمدگی را که زمانی خارج از دسترس در نظر گرفته می شدند ، مقابله کنند.
گرفتن فوتون های مؤثر: جهشی از روزها به لحظه ها
در میان ابزارهای مختلف تحقیقاتی ، طیف سنج های Qrixs و Chemrixs از فناوری پراکندگی پرتونگاری با اشعه ایکس (RIXS) استفاده می کنند. این فناوری با روشن کردن نمونه ای با پالس های اشعه ایکس کار می کند و الکترون های داخلی آن را هیجان انگیز می کند. هنگامی که الکترون ها به حالت پایدار خود باز می گردند ، انرژی را به شکل فوتون آزاد می کنند. محققان با تجزیه و تحلیل این فوتون های ساطع شده می توانند فرآیندهای میانی واکنش را بازسازی کرده و به طور دقیق خصوصیات الکترونیکی مواد کوانتومی را بررسی کنند.
جورجی داکوفسکی ، دانشمند ارشد SLAC و رئیس ابزار Qrixs ، توضیح می دهد که RIXS یک روش اندازه گیری با عملکرد سیگنال بسیار کم است. در آزمایشات ، اکثریت قریب به اتفاق فوتون های اشعه ایکس حادثه توسط نمونه جذب یا پراکنده می شوند و هرگز به ردیاب نمی رسند. به طور متوسط ، فقط از هر میلیارد میلیارد فوتون یک سیگنال مؤثر تولید می کند که می تواند با موفقیت تشخیص داده شود. جورجی داکوفسکی اظهار داشت: در فرکانس اصلی پالس LCL ها ، گرفتن حتی کوچکترین فوتون مؤثر یک فرم هنری بود ، زیرا ما مجبور شدیم مدت طولانی صبر کنیم تا داده های کافی را جمع کنیم. "
با این حال ، LCL ها اکنون پالس های اشعه ایکس را با سرعت 100 تا 10،000 برابر بیشتر در ثانیه تولید می کنند. اندازه گیری های Rixs که روزها به اتمام رسیدند ، اکنون می توانند در عرض چند دقیقه یا حتی ثانیه به دست بیایند.
جورجی داکوفسکی گفت: "این پیشرفت تغییرات چشمگیری را به همراه داشته است. نه تنها سرعت کسب داده ها به طور قابل توجهی افزایش یافته است ، بلکه وضوح نیز بی سابقه است. اکنون می توانیم در زمان واقعی نحوه تغییر مواد با گذشت زمان را مشاهده کنیم ، و به طور واقعی تعامل بین مؤلفه های اتمی را کنترل می کنیم. فرکانس. "
جورجی داکوفسکی در کنار ابزار Qrixs ایستاده است
در بهار امسال ، پس از اتمام به روزرسانی ها ، ابزار Qrixs اولین کار خود را انجام داد. این دستگاه عظیم مجهز به یک طیف سنج 12 فوت به طول قادر به چرخش 110 درجه است و از فناوری RIXS برای مطالعه پویایی کوانتومی مواد کریستالی حالت جامد استفاده می کند. اندازه بزرگ آن دانشمندان را قادر می سازد تا مواد را با وضوح بسیار بالا از زوایای مختلف تجزیه و تحلیل کنند ، اما برای به دست آوردن داده های با کیفیت بالا نیز به ورودی بزرگی از اشعه ایکس نیاز دارد. این قابلیت ها مدتهاست که نیاز جدی به جامعه کاربر LCLS بوده است ، اما به دلیل نیازهای بسیار زیاد فوتون ، آنها اکنون فقط امکان پذیر شده اند.
محققان اکنون از QRIXS برای مطالعه موادی مانند ابررساناهای درجه حرارت بالا استفاده می کنند که می توانند با از دست دادن انرژی صفر برق را منتقل کنند. درک عمیق تر از پدیده های کوانتومی زمینه ای می تواند باعث توسعه رایانه های کوانتومی کارآمدتر ، بهبود تجهیزات تصویربرداری با رزونانس مغناطیسی (MRI) برای استفاده پزشکی شود و امکان تحقق شبکه های انتقال قدرت بدون ضرر را در مقیاس بزرگ فراهم کند.
Kristjan Kunnus با ابزار Chemrixs
در حالی که QRIXS در درجه اول برای تحقیقات کوانتومی استفاده می شود ، Chemrixs به طور خاص برای تجزیه و تحلیل خواص شیمیایی نمونه های مایع طراحی شده است ، از آب فوق العاده خاکستری گرفته تا حلال های شیمیایی. Chemrixs بینش مفصلی در مورد فرآیندهای شیمیایی ، مانند مراحل میانی فتوسنتز ، به محققان ارائه می دهد ، که به طور بالقوه می تواند منجر به توسعه سیستم های فتوسنتز مصنوعی در آینده شود.
Chemrixs در سال 2021 نصب شد و چندین سال است که در پرتو LCLS کار می کند و مقدار زیادی از داده ها را جمع می کند. Kristjan Kunnus ، یک دانشمند SLAC و محقق اصلی ابزار Chemrixs ، اظهار داشت که افزایش قابل توجه شدت اشعه ایکس که توسط LCLS-II ارائه شده است ، پتانسیل تحقیق دستگاه را تا حد زیادی گسترش داده است. وی گفت: "پیش از این ، ما نمی توانستیم حلال های کم غلظت را مطالعه کنیم و مجبور شدیم از نمونه های با غلظت بالاتر استفاده کنیم ، که فرآیندهای شیمیایی را در شرایط دنیای واقعی کاملاً منعکس نمی کند. اکنون ، ما می توانیم نمونه های رقیق را که در برنامه های شیمیایی واقعاً مهم هستند ، تجزیه و تحلیل کنیم و هنوز داده های با کیفیت بالا را بدست آوریم ، که در گذشته به سادگی غیرممکن بود."
ضبط فیلم های مولکولی: ردیابی واکنش های شیمیایی در تریلیونمین ثانیه
در انتهای علوم اتمی ، مولکولی و فوتونیک (TMO) در انتهای زمان حل شده ، چندین ابزار جدید در حال افزایش قابلیت های به روز شده LCLS-II برای مطالعه چگونگی شروع الکترون ها فرآیندهای مختلف در زیست شناسی ، شیمی و علم مواد هستند. یکی از این موارد ساز "جعبه کوکی" (MRCO) چند وضوح است که هسته آن یک آرایه حلقه ای از 16 ردیاب الکترون است که برای استفاده کامل از میزان تکرار بالاتر LCLS طراحی شده اند. محققان با ترکیب این سیستم پیشرفته با پالس های لیزر Ultrafast LCLS ، دقیقاً می توانند لحظه فرار الکترون ها از مولکول ها را مشخص کرده و طیف انرژی و توزیع زاویه ای الکترونهای فرار را با دقت بسیار بالا اندازه گیری کنند. این اندازه گیری ها دانشمندان را قادر می سازد تا انتقال بار و انرژی را در سیستم های مولکولی در بازه های زمانی طبیعی به اندازه یک تریلیونمین ثانیه حل کنند. در نهایت ، چنین تحقیقاتی نه تنها محدودیت های تئوری کوانتومی را آزمایش می کند بلکه بینش های اساسی را برای طراحی کاتالیزورها و سوخت های کارآمدتر نیز فراهم می کند.
رازیب اوبید ، دانشمند SLAC و رئیس ابزار MRCO ، اظهار داشت: ما دیگر محدود به "پنجره مشاهده" باریک گذشته نیستیم. این به روزرسانی مرزهای علمی را که می توانیم در هر آزمایش کشف کنیم ، گسترش داده است. "
یکی از اعضای جدید ایستگاه ترمینال TMO میکروسکوپ واکنش پویا (DREAM) است. همانطور که از نام آن پیداست ، رویا یک میکروسکوپ واکنش قدرتمند است که محققان را قادر می سازد وضعیت مولکولهای فردی را در طی دگرگونی های شیمیایی مشاهده کنند. این ابزار یک پرتو اشعه ایکس را روی یک مولکول واحد متمرکز می کند ، به تدریج الکترونهای خود را از بین می برد تا مولکول "منفجر شود" ، با تمام پیوندهای شیمیایی کاملاً شکسته است. قطعات حاصل سپس برای بازسازی نقشه ساختاری با وضوح بالا مولکول شناسایی و استفاده می شوند. محققان با تجمع میلیون ها تصویر از این دست ، در نهایت می توانند یک "فیلم" سطح مولکولی از واکنش شیمیایی بسازند.
جیمز کریان ، دانشمند ارشد SLAC و رئیس ابزار TMO ، اظهار داشت: "این تجهیزات به ما امکان می دهد پدیده ها را در اساسی ترین سطح درک کنیم ، مانند اینکه چگونه فرآیندهای فتوشیمیایی مانند بینایی ، تبدیل انرژی خورشیدی و آشکار می شوند ، چگونه DNA انرژی را هنگام جذب نور منتقل می کند و چگونه الکترون ها از یک طرف یک مولکول به طرف دیگر حرکت می کنند."
این فناوری دستیابی به موفقیت کاملاً به فرکانس پالس پر سرعت LCLS متکی است. برای ضبط کامل یک واکنش مولکولی واحد ، محققان باید از نزدیک به یک میلیون زاویه مختلف عکس بگیرند ، این به معنای میلیون ها قرار گرفتن در معرض اشعه ایکس است. در سال 2020 ، این تیم برای تأیید قابلیت نمونه اولیه در پرتوهای موجود ساخت. آنها یک هفته را برای جمع آوری داده ها گذراندند اما فقط می توانند یک قاب واحد از فیلم مولکولی تولید کنند.
جیمز کریان گفت: "در شرایط اصلی ، ممکن است سالها طول بکشد تا یک واکنش واحد را به طور کامل برطرف کنیم. اکنون ، با کار کردن رویایی در پرتوهای به روز شده LCLS ، ما می توانیم این فرایندها را به روشی کاملاً جدید مشاهده کنیم. این به روزرسانی یک نقطه عطف است و باعث می شود تحقیقات قبلاً غیرممکن به واقعیت تبدیل شود."
افزایش قابل توجه ظرفیت جمع آوری داده ها در LCL ها نه تنها روشهای جدید تحقیق را ایجاد کرده است بلکه مقادیر گسترده ای از داده ها را برای آموزش مدلهای AI بنیادی ایجاد کرده است. این مدل های هوش مصنوعی می توانند به محققان کمک کنند تا داده ها را با کارآمدتر جمع آوری کنند تا مواد جدید را کشف کنند و در طول تنظیمات پرتو ، کمک های زمان واقعی را به اپراتورها ارائه دهند. ماتیاس کلینگ ، مدیر تحقیق و توسعه LCLS ، اظهار داشت: "ادغام عمیق این فناوری هوش مصنوعی بدون شک منظره تحقیق را تغییر شکل داده و سرعت کشف علمی را تسریع می کند."
با عملکرد پیشرفته و یک سیستم ابزار دقیق ، ارتقاء LCLS-II دامنه تحقیقات LCLS را به طور قابل توجهی گسترش داده است. محققان در حال حاضر در حال تجزیه و تحلیل داده های حاصل از آزمایش های اول هستند و قصد دارند آزمایش های بیشتری را در سال جاری انجام دهند. انتظار می رود اکتشافات علمی که توسط این امکانات پیشرفته امکان پذیر است ، درک بیشتر بشریت از فرآیندهای اساسی را که جهان را شکل می دهد ، عمیق تر کند.
