Viele der tiefsten Mysterien der Wissenschaft liegen im mikroskopischen Maßstab versteckt. Um diese Geheimnisse aufzudecken, versammeln sich Forscher aus der ganzen Welt im Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) des US -amerikanischen Energieministeriums, um die Verwendung seiner linearen kohärenten Lichtquelle (LCLS) zu untersuchen.
Das LCLS funktioniert wie ein riesiges Mikroskop, das Ultra - Bright X - Strahlimpulse ausgibt und sie auf verschiedene präzisionswissenschaftliche Instrumente leitet. Wissenschaftler verwenden es, um die sofortige Bewegung von Atomen zu erfassen, die reale Zeitdynamik chemischer Reaktionen zu verfolgen, die einzigartigen Eigenschaften von Materialien aufzudecken und Einblicke in die grundlegenden Mechanismen des Lebens zu erhalten. Nach über einem Jahrzehnt erfolgreicher Betrieb hat das LCLS ein kritisches Upgrade abgeschlossen, das als LCLS - II bekannt ist. Das verbesserte System erhöht die Wiederholungsrate von X - Strahlenimpulsen von 120 -mal pro Sekunde auf erstaunliche 1 Million Mal pro Sekunde, eine fast zehnfache Steigerung. Dieser Sprung nach vorne führt zu einer neuen Generation experimenteller Geräte- und Forschungsmethoden, sodass Wissenschaftler die wissenschaftlichen Fragen, die einst als außer Reichweite angesehen wurden, das Schneiden in Angriff nehmen können.
Effektive Photonen erfassen: Ein Sprung von Tagen zu Momenten
Unter den verschiedenen Forschungsinstrumenten verwenden die QRIXs und Chemrixs -Spektrometer resonante inelastische X - -Rox -Streuung (RIXS) -Technologie. Diese Technologie funktioniert, indem ein Beispiel mit X - Strahlimpulsen beleuchtet wird und seine inneren - Shell -Elektronen aufregt; Wenn die Elektronen in ihren stabilen Zustand zurückkehren, füllen sie Energie in Form von Photonen frei. Durch die Analyse dieser emittierten Photonen können Forscher die Zwischenprozesse der Reaktion rekonstruieren und genau die elektronischen Eigenschaften von Quantenmaterialien untersuchen.
Georgi Dakovski, Chefwissenschaftler bei SLAC und Leiter des QRIXS -Instruments, erklärt, dass Rixs eine Messtechnik mit extrem niedriger Signalausbeute ist. In den Experimenten wird die überwiegende Mehrheit des Vorfalls x - Strahlphotonen von der Probe absorbiert oder verstreut und erreicht niemals den Detektor. Im Durchschnitt erzeugt nur einer von jeder Milliarde Incident -Photonen ein wirksames Signal, das erfolgreich erkannt werden kann. Georgi Dakovski erklärt: Bei der ursprünglichen Pulsfrequenz der LCLs war es eine Kunstform, selbst das geringste effektive Photon zu erfassen, da wir lange warten mussten, um ausreichende Daten zu sammeln. "
Die LCLs erzeugen jedoch jetzt x - Strahlimpulse mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 10.000 -mal höher pro Sekunde. RIXS -Messungen, die einst Tage dauerten, können jetzt in Minuten oder sogar Sekunden erhalten werden.
Georgi Dakovski sagte: "Diese Verbesserung hat bemerkenswerte Veränderungen geführt. Nicht nur die Geschwindigkeit der Datenerfassung hat signifikant erhöht, sondern die Klarheit ist auch beispiellos. Wir können nun in realer - Zeit beobachten. Wichtig erweiterte X - Strahlimpulsfrequenz. "
Georgi Dakovski steht neben dem QRIXS -Instrument
In diesem Frühjahr gab das QRIXS -Instrument nach Abschluss der Upgrades sein Debüt. Dies ist ein massives Gerät, das mit einem 12 - Fuß - Langes Spektrometer ausgestattet ist, das sich um 110 Grad drehen kann, wobei die RIXS -Technologie verwendet wird, um die Quantendynamik von festem - Zustand kristalliner Materialien zu untersuchen. Durch die große Größe können Wissenschaftler Materialien mit extrem hoher Auflösung aus mehreren Winkeln analysieren, aber auch eine große Eingabe von X - Strahlen benötigt, um qualitativ hochwertige Daten zu erhalten. Diese Fähigkeiten sind seit langem ein dringendes Bedürfnis für die LCLS -Benutzergemeinschaft, aber aufgrund der extrem hohen Photonenanforderungen sind sie erst jetzt machbar.
Forscher verwenden jetzt QRIXs, um Materialien wie hohe - Temperatur -Supraleiter zu untersuchen, die Elektrizität ohne Energieverlust übertragen können. Ein tieferes Verständnis der zugrunde liegenden Quantenphänomene könnte die Entwicklung effizienterer Quantencomputer vorantreiben, die MRT -Geräte (Magnetresonanztomographie) für den medizinischen Gebrauch verbessern und die Verwirklichung potenzieller verlustfreier Stromübertragungsnetzwerke in großem Maßstab ermöglichen.
Kristjan Kunnus mit dem Chemrixs Instrument
Während QRIXS hauptsächlich für die Quantenmaterialforschung verwendet wird, wurde Chemrixs speziell so entwickelt, um die chemischen Eigenschaften von flüssigen Proben zu analysieren, die von ultra - reinem Wasser bis hin zu chemischen Lösungsmitteln reichen. Chemrixs bietet Forschern detaillierte Einblicke in chemische Prozesse, wie z.
Chemrixs wurde 2021 installiert und arbeitet seit mehreren Jahren auf der LCLS Beamline, wobei eine große Datenmenge akkumuliert wurde. Kristjan Kunnus, ein SLAC -Wissenschaftler und der Hauptforscher für das Chemrixs -Instrument, erklärte, dass die durch LCLS - II, die von LCLS - II eingeführte Strahlenintensität, das Forschungspotential des Geräts erheblich erweitert habe. Er sagte: "Zuvor konnten wir keine niedrigen - -Konzentrations Solvates studieren und mussten höhere Konzentrationsproben verwenden, die die chemischen Prozesse unter realer - Weltbedingungen nicht vollständig widerspiegelten. Jetzt können wir die verdünnten Stichproben, die in der chemischen Anwendung wirklich wichtig sind, und die {9- -Andaten, die in der Weight, in der Weight, in der Weight, sind, was die Weight, was bei {{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{-, analysiert wurde.
Molekülfilme erfassen: Verfolgung chemischer Reaktionen am Billionth einer Sekunde verfolgen
Zu der Zeit - löste atomare, molekulare und photonische Wissenschaften (TMO) Endstation ein, dass mehrere neue Instrumente die verbesserten Funktionen von LCLs - II nutzen, um zu untersuchen, wie Elektronen verschiedene Prozesse in Biologie, Chemie und Materialwissenschaft einleiten. Eines davon ist das Multi - -Auflösungsauflösung "Cookie Box" (MRCO), dessen Kern ein Ringarray von 16 Elektronendetektoren ist, die die höhere Wiederholungsrate der LCLS vollständig nutzen können. Durch die Kombination dieses fortschrittlichen Systems mit den ultraschnellen Laserimpulsen des LCLs können Forscher die Momentelektronen genau bestimmen, die aus Molekülen entkommen und das Energiespektrum und die Winkelverteilung der entkommenden Elektronen mit extrem hoher Genauigkeit messen. Diese Messungen ermöglichen es Wissenschaftlern, die Übertragung von Ladung und Energie in molekularen Systemen auf natürlichen Zeitskalen zu lösen, die eine Billionsthese einer Sekunde lang sind. Letztendlich testet solche Forschungen nicht nur die Grenzen der Quantentheorie, sondern liefert auch entscheidende Einblicke für die Gestaltung effizienterer Katalysatoren und Kraftstoffe.
Razib Obaid, ein SLAC -Wissenschaftler und Leiter des MRCO -Instruments, erklärte: Wir sind nicht mehr durch das schmale 'Beobachtungsfenster der Vergangenheit eingeschränkt; Dieses Upgrade hat die wissenschaftlichen Grenzen erweitert, die wir in jedem Experiment untersuchen können. "
Eines der neuen Mitglieder der TMO -Endstation ist das dynamische Reaktionsmikroskop (Traum). Wie der Name schon sagt, ist Dream ein starkes Reaktionsmikroskop, mit dem Forscher den Zustand einzelner Moleküle während chemischer Transformationen beobachten können. Das Instrument fokussiert einen X - Strahlstrahl auf einem einzelnen Molekül und streift seine Elektronen allmählich ab, bis das Molekül "explodiert", wobei alle chemischen Bindungen vollständig zerbrochen sind. Die resultierenden Fragmente werden dann nachgewiesen und verwendet, um eine hohe Strukturkarte des Moleküls zu rekonstruieren. Durch die Sammlung von Millionen solcher Bilder können Forscher letztendlich einen molekularen - -Spegel "Film" der chemischen Reaktion konstruieren.
James Cryan, ein leitender Wissenschaftler bei SLAC und Leiter des TMO -Instruments, erklärte: "Mit dieser Ausrüstung können wir Phänomene auf der grundlegendsten Ebene verstehen, wie photochemische Prozesse wie Vision, Solarenergieumwandlung und Photosynthese, wie DNA die Energie überträgt, und wie sich die Elektronen von einer Seite von einem Molekül von einem Molekül vom anderen von einem Molekül zum anderen auf dem anderen auf den Weg gehen."
Diese Durchbruchstechnologie basiert ausschließlich auf der hohen - -Speed -Impulsfrequenz des LCLS. Um eine einzelne molekulare Reaktion vollständig zu erfassen, müssen die Forscher Bilder aus fast einer Million unterschiedlichen Blickwinkeln aufnehmen, was bedeutet, dass Millionen von X - Strahlenexpositionen. Im Jahr 2020 baute das Team einen Prototyp auf der vorhandenen Strahllinie zur Überprüfung der Fähigkeitsüberprüfung auf. Sie verbrachten eine Woche damit, Daten zu sammeln, konnten aber nur einen einzelnen Rahmen des molekularen Films generieren.
James Cryan sagte: "Unter den ursprünglichen Bedingungen könnte es Jahre gedauert haben, um eine einzige Reaktion vollständig zu lösen. Jetzt können wir diese Prozesse auf eine völlig neue Weise beobachten. Dieses Upgrade ist ein Wendepunkt, was die zuvor unmögliche Forschung zur Realität macht."
Die signifikante Zunahme der Datenerfassungskapazität bei LCLS hat nicht nur neue Forschungsmethoden hervorgebracht, sondern auch massive Datenmengen für die Schulung grundlegender KI -Modelle generiert. Diese KI -Modelle können Forschern helfen, Daten effizienter zu sammeln, um neue Materialien zu erforschen und den Betreibern während der Beamline -Anpassungen echte Zeitunterstützung zu liefern. Matthias Kling, LCLS -Forschungs- und Entwicklungsdirektor, erklärte: "Die tiefe Integration dieser AI -Technologie wird zweifellos die Forschungslandschaft neu verändern und das Tempo der wissenschaftlichen Entdeckung beschleunigen."
Mit verbesserter Leistung und einem neuen Instrumentierungssystem hat das LCLS - II -Upgrade den Umfang der LCLS -Forschung erheblich erweitert. Die Forscher analysieren derzeit Daten aus den ersten Experimenten und planen, in diesem Jahr weitere Experimente durchzuführen. Es wird erwartet, dass die wissenschaftlichen Entdeckungen, die diese fortgeschrittenen Einrichtungen ermöglicht haben, das Verständnis der Menschheit für die grundlegenden Prozesse, die die Welt prägen, weiter vertiefen.
