لیزر اشعه ایکس که قدرتمندترین پالس را منتشر می کند!

اخیراً دانشمندان آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC به پیشرفت بزرگی در زمینه تحقیقات علمی دست یافته اند. آنها از تأسیسات منبع نور منسجم شتاب دهنده خطی (LCLS-II) در کالیفرنیا برای پرتاب موفق قدرتمندترین پالس اشعه ایکس تا به امروز استفاده کردند.
مدت زمان این پالس آنقدر کوتاه بود که تنها در 4.4 تریلیونم ثانیه (اتو ثانیه) نزدیک به 1 تراوات انرژی - 1،000 برابر بیشتر از میانگین تولید برق سالانه یک نیروگاه هسته ای تولید کرد. .
LCLS-II نسخه ارتقا یافته منبع نور منسجم خطی است که در آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC وزارت انرژی ایالات متحده، در مجاورت دانشگاه استنفورد در منلو پارک، کالیفرنیا قرار دارد. این دستگاه از فناوری لیزر الکترون آزاد برای شتاب بخشیدن به پرتوی استفاده می کند. الکترون‌ها به سرعت نور نزدیک می‌شوند و پرتو را از طریق یک سری میدان‌های مغناطیسی به نوسان می‌اندازند تا پرتوهای X شدید ساطع کنند. از این اشعه ایکس می توان برای تصویربرداری از اجسام ریز مانند مولکول ها برای مشاهده برهمکنش بین اتم های درون آنها استفاده کرد.
LCLS-II می‌تواند تا یک میلیون پالس پرتو ایکس در ثانیه ساطع کند، که 8،{3}} برابر بیشتر از لیزرهای LCLS قبلی است. هنگامی که افزایش نرخ پالس را با افزایش تعداد الکترون‌ها در هر پالس ترکیب می‌کنیم، دستگاه جدید بیش از 10،000 برابر بیشتر از دستگاه قبلی خود روشن‌تر می‌شود.
قابل توجه است که LCLS-II می‌تواند تا 1 میلیون پالس پرتو ایکس در ثانیه ساطع کند که 8،{4}}برابر بیشتر از لیزر LCLS قبلی است. همراه با افزایش نرخ پالس و تعداد بیشتر الکترون در هر پالس، دستگاه جدید بیش از 10،000 برابر بیشتر از دستگاه قبلی خود روشن‌تر است. علاوه بر این، این دستگاه می‌تواند پالس‌های کوتاهی در محدوده 10-50 فمتوثانیه تولید کند که مدت‌زمان پالس برای پرتوهای ایکس کم انرژی تا 250 فمتوثانیه افزایش می‌یابد، و حتی می‌تواند پالس‌های بسیار کوتاه کمتر از 10 فمتوثانیه ایجاد کند.
با چنین طول موج های کوتاه، پالس های کوتاه و تکرار سریع لیزرها، دانشمندان می توانند از این دستگاه برای تماشای واکنش های شیمیایی استفاده کنند. اساساً، هر پالس می‌تواند پیکربندی اتم‌های درگیر در واکنش را تصویر کند، و سپس این تصاویر را می‌توان در کنار هم قرار داد تا اثری شبیه به یک «فیلم رسی» مولکولی ایجاد کند. در سال 2018، مرکز LCLS با موفقیت فیلمی از بینایی انسان و فرآیندهای شیمیایی درگیر در فتوسنتز را تنها در 1،{2}} فمتوثانیه تولید کرد.
LCLS-II نه تنها توانایی تصویربرداری از اشیاء ریز را دارد، بلکه دقتی تا 1 آنگستروم (10^{3}} متر) نیز دارد. این قابلیت به محققان اجازه می دهد تا در فرآیندهای اتمی در زمینه های مختلف از سیستم های بیولوژیکی گرفته تا فتوولتائیک و سلول های سوختی تحقیق کنند. در عین حال، دستگاه لیزر همچنین به دانشمندان کمک می کند تا پدیده های فیزیکی مانند ابررسانایی، فروالکتریک و مغناطیس را کشف کنند.
یکی از مولفه های کلیدی ارتقاء، نصب برخی فناوری های انقلابی است. در حالی که پدال‌های گاز قبلی در دمای اتاق کار می‌کردند، LCLS-II ارتقا یافته از یک مجموعه پدال گاز ابررسانا استفاده می‌کند که به آن اجازه می‌دهد در دماهای نزدیک به صفر مطلق (-456 درجه فارنهایت یا -271 درجه) کار کند. LCLS-II همچنین دارای آهنرباهای بهتری برای تاب دادن پرتو الکترونی است.
اگرچه LCLS-II به تازگی شروع به کار کرده است، موفقیت پدال های گاز اولیه LCLS باعث خوش بینی محققان شده است. بیش از 3،000 دانشمند از این تسهیلات استفاده کرده اند و بیش از 1450 مقاله منتشر کرده اند. کاربردهای آتی این ساطع کننده پالس قدرتمند اشعه ایکس امیدوارکننده است و انتظار می رود بینش ها و پیشرفت های جدیدی را در زمینه تحقیقات علمی به ارمغان آورد.