Nhiều bí ẩn sâu sắc nhất của khoa học nằm ẩn ở quy mô kính hiển vi. Để khám phá những bí ẩn này, các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới đang tập hợp tại Phòng thí nghiệm quốc gia Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC) của Bộ Năng lượng để khám phá bằng nguồn sáng kết hợp tuyến tính (LCLS).
Các chức năng của LCLS giống như kính hiển vi khổng lồ, phát ra Ultra - Bright x - xung tia và hướng chúng đến các công cụ khoa học chính xác khác nhau. Các nhà khoa học sử dụng nó để nắm bắt chuyển động tức thời của các nguyên tử, theo dõi động lực thời gian thực sự - của các phản ứng hóa học, khám phá các tính chất độc đáo của vật liệu và hiểu rõ hơn về các cơ chế cơ bản của cuộc sống. Sau hơn một thập kỷ hoạt động thành công, LCLS đã hoàn thành một bản nâng cấp quan trọng được gọi là LCLS - ii. Hệ thống được nâng cấp làm tăng tốc độ lặp lại của x - xung tia từ 120 lần mỗi giây đến 1 triệu lần đáng kinh ngạc mỗi giây, tăng gần gấp mười lần. Bước nhảy vọt này đang tạo ra một thế hệ mới về thiết bị thử nghiệm và phương pháp nghiên cứu, cho phép các nhà khoa học giải quyết việc cắt giảm - Các câu hỏi khoa học từng được coi là ngoài tầm với.
Nắm bắt các photon hiệu quả: Một bước nhảy vọt từ những ngày này sang khoảnh khắc khác
Trong số các công cụ nghiên cứu khác nhau, máy quang phổ của Qrix và Chemrixs sử dụng công nghệ tán xạ tia không co không đặc biệt X -. Công nghệ này hoạt động bằng cách chiếu sáng một mẫu với x - xung tia, thú vị bên trong - electron shell; Khi các electron trở về trạng thái ổn định của chúng, chúng sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng photon. Bằng cách phân tích các photon phát ra này, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng lại các quá trình trung gian của phản ứng và thăm dò chính xác các tính chất điện tử của vật liệu lượng tử.
Georgi Dakovski, nhà khoa học trưởng tại SLAC và người đứng đầu công cụ Qrixs, giải thích rằng RIXS là một kỹ thuật đo lường với năng suất tín hiệu cực thấp. Trong các thí nghiệm, phần lớn các photon tia X -} được hấp thụ hoặc phân tán bởi mẫu và không bao giờ đến máy dò. Trung bình, chỉ có một trong số các photon sự cố tạo ra một tín hiệu hiệu quả có thể được phát hiện thành công. Georgi Dakovski tuyên bố: Ở tần số xung ban đầu của LCL, chụp ngay cả photon hiệu quả nhỏ nhất là một hình thức nghệ thuật, vì chúng tôi phải chờ đợi một thời gian dài để tích lũy đủ dữ liệu. "
Tuy nhiên, các LCL hiện tạo ra x - xung tia với tốc độ cao hơn 100 đến 10.000 lần mỗi giây. Các phép đo của RIX đã từng mất nhiều ngày để hoàn thành có thể được lấy trong vài phút hoặc thậm chí vài giây.
Georgi Dakovski nói: "Sự cải thiện này đã mang lại những thay đổi đáng chú ý. Không chỉ tốc độ thu thập dữ liệu tăng đáng kể, mà sự rõ ràng cũng chưa từng có. Bây giờ chúng ta có thể quan sát trong thực tế. LCLS được tăng cường đáng kể x - tần số xung tia. "
Georgi Dakovski đứng cạnh nhạc cụ Qrixs
Mùa xuân này, sau khi hoàn thành nâng cấp, công cụ Qrixs đã ra mắt. Đây là một thiết bị lớn được trang bị 12 - feet - Máy quang phổ dài có khả năng quay 110 độ, sử dụng công nghệ RIXS để nghiên cứu động lực lượng tử của chất rắn -. Kích thước lớn của nó cho phép các nhà khoa học phân tích các vật liệu ở độ phân giải cực cao từ nhiều góc độ, nhưng nó cũng yêu cầu một đầu vào lớn của các tia X- để thu được dữ liệu chất lượng cao. Những khả năng này từ lâu đã là một nhu cầu cấp thiết đối với cộng đồng người dùng LCLS, nhưng do các yêu cầu photon cực kỳ cao, chúng chỉ mới trở nên khả thi.
Các nhà nghiên cứu hiện đang sử dụng Qrixs để nghiên cứu các vật liệu như cao cấp -, có thể truyền điện với mất năng lượng bằng không. Một sự hiểu biết sâu sắc hơn về các hiện tượng lượng tử cơ bản có thể thúc đẩy sự phát triển của các máy tính lượng tử hiệu quả hơn, cải thiện thiết bị hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) để sử dụng y tế và cho phép thực hiện các mạng truyền tải điện không mất mát tiềm năng trên quy mô lớn.
Kristjan Kunnus với nhạc cụ Chemrixs
Mặc dù QRIX chủ yếu được sử dụng để nghiên cứu vật liệu lượng tử, các chemrix được thiết kế đặc biệt để phân tích tính chất hóa học của các mẫu chất lỏng, từ Ultra - nước tinh khiết đến dung môi hóa học. Chemrixs cung cấp cho các nhà nghiên cứu những hiểu biết chi tiết về các quá trình hóa học, chẳng hạn như các bước trung gian của quang hợp, có khả năng dẫn đến sự phát triển của các hệ thống quang hợp nhân tạo trong tương lai.
Chemrixs đã được cài đặt vào năm 2021 và đã hoạt động trên chùm tia LCLS trong vài năm, tích lũy một lượng lớn dữ liệu. Kristjan Kunnus, một nhà khoa học SLAC và điều tra viên chính cho công cụ Chemrixs, tuyên bố rằng sự gia tăng đáng kể về cường độ tia X- do LCLS mang lại - ii đã mở rộng đáng kể tiềm năng nghiên cứu của thiết bị. Ông nói, "Trước đây, chúng tôi không thể nghiên cứu mức độ -} được hòa tan và phải sử dụng các mẫu nồng độ- cao hơn, không phản ánh đầy đủ các quá trình hóa học trong thực sự -.
Nắm bắt phim phân tử: Theo dõi các phản ứng hóa học ở phần trăm của một giây
Vào thời điểm - đã giải quyết kết thúc nguyên tử, phân tử và quang học (TMO), nhiều công cụ mới đang tận dụng các khả năng nâng cấp của LCLS - ii để nghiên cứu cách các electron bắt đầu các quá trình khác nhau trong sinh học, hóa học và khoa học vật liệu. Một trong số đó là bộ dụng cụ "hộp cookie" (MRCO) đa -, có lõi là mảng vòng gồm 16 máy dò electron được thiết kế để tận dụng hoàn toàn tốc độ lặp lại cao hơn của LCLS. Bằng cách kết hợp hệ thống tiên tiến này với các xung laser cực nhanh của LCLS, các nhà nghiên cứu có thể xác định chính xác các electron thời điểm thoát khỏi các phân tử và đo phổ năng lượng và phân bố góc của các electron thoát ra với độ chính xác cực cao. Các phép đo này cho phép các nhà khoa học giải quyết việc chuyển điện tích và năng lượng trong các hệ thống phân tử vào thời gian tự nhiên ngắn tới một nghìn tỷ giây. Cuối cùng, nghiên cứu như vậy không chỉ kiểm tra các giới hạn của lý thuyết lượng tử mà còn cung cấp những hiểu biết quan trọng để thiết kế các chất xúc tác và nhiên liệu hiệu quả hơn.
Razib Obaid, một nhà khoa học SLAC và người đứng đầu của nhạc cụ MRCO, đã tuyên bố: Chúng tôi không còn bị hạn chế bởi 'cửa sổ quan sát hẹp' của quá khứ; Nâng cấp này đã mở rộng ranh giới khoa học mà chúng ta có thể khám phá trong mỗi thí nghiệm. "
Một trong những thành viên mới của Trạm thiết bị đầu cuối TMO là kính hiển vi phản ứng động (DEAM). Như tên cho thấy, Dream là một kính hiển vi phản ứng mạnh mẽ cho phép các nhà nghiên cứu quan sát trạng thái của các phân tử riêng lẻ trong quá trình biến đổi hóa học. Thiết bị tập trung một tia X - trên một phân tử duy nhất, dần dần tước đi các electron của nó cho đến khi phân tử "phát nổ", với tất cả các liên kết hóa học bị phá vỡ hoàn toàn. Các đoạn kết quả sau đó được phát hiện và sử dụng để xây dựng lại bản đồ cấu trúc độ phân giải - cao của phân tử. Bằng cách tích lũy hàng triệu hình ảnh như vậy, các nhà nghiên cứu cuối cùng có thể xây dựng một "màng" phân tử - của phản ứng hóa học.
James Cryan, một nhà khoa học cao cấp tại SLAC và người đứng đầu nhạc cụ TMO, đã tuyên bố: "Thiết bị này cho phép chúng ta hiểu các hiện tượng ở cấp độ cơ bản nhất, chẳng hạn như cách các quá trình quang hóa như tầm nhìn, chuyển đổi năng lượng mặt trời và quang hợp phát ra, cách DNA truyền năng lượng khi hấp thụ ánh sáng" và cách điện tử di chuyển từ một bên của một bộ phận khác.
Công nghệ đột phá này hoàn toàn phụ thuộc vào tần số xung tốc độ cao của LCLS. Để chụp hoàn toàn một phản ứng phân tử duy nhất, các nhà nghiên cứu cần chụp ảnh từ gần một triệu góc khác nhau, có nghĩa là hàng triệu lần phơi sáng X-. Vào năm 2020, nhóm đã xây dựng một nguyên mẫu trên chùm tia hiện có để xác minh khả năng. Họ đã dành một tuần để thu thập dữ liệu nhưng chỉ có thể tạo ra một khung hình của màng phân tử.
James Cryan nói, "Trong các điều kiện ban đầu, có thể đã mất nhiều năm để giải quyết hoàn toàn một phản ứng duy nhất. Bây giờ, với giấc mơ hoạt động trên chùm tia LCLS được nâng cấp, chúng ta có thể quan sát các quá trình này theo một cách hoàn toàn mới. Bản nâng cấp này là một bước ngoặt, biến nghiên cứu trước đây là một thực tế."
Sự gia tăng đáng kể về khả năng thu thập dữ liệu tại LCLS không chỉ tạo ra các phương pháp nghiên cứu mới mà còn tạo ra một lượng lớn dữ liệu để đào tạo các mô hình AI nền tảng. Các mô hình AI này có thể giúp các nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu hiệu quả hơn để khám phá các vật liệu mới và cung cấp hỗ trợ thời gian- thực sự cho các nhà khai thác trong quá trình điều chỉnh chùm tia. Matthias Kling, Giám đốc nghiên cứu và phát triển LCLS, tuyên bố, "Sự tích hợp sâu sắc của công nghệ AI này chắc chắn sẽ định hình lại bối cảnh nghiên cứu và đẩy nhanh tốc độ khám phá khoa học."
Với hiệu suất nâng cao và hệ thống thiết bị mới, nâng cấp LCLS - ii đã mở rộng đáng kể phạm vi nghiên cứu LCLS. Các nhà nghiên cứu hiện đang phân tích dữ liệu từ các thí nghiệm đầu tiên và có kế hoạch tiến hành nhiều thí nghiệm trong năm nay. Các khám phá khoa học được kích hoạt bởi các cơ sở tiên tiến này dự kiến sẽ tiếp tục hiểu sâu hơn về sự hiểu biết của nhân loại về các quá trình cơ bản định hình thế giới.
