Tia laser X-quang phát ra xung mạnh nhất từ ​​trước đến nay!

Gần đây, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC đã có một bước đột phá lớn trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Họ đã sử dụng cơ sở Nguồn sáng liên kết máy gia tốc tuyến tính (LCLS-II) ở California để phóng thành công xung tia X mạnh nhất cho đến nay.
Khoảng thời gian kéo dài của xung này rất ngắn, chỉ trong 4,4 phần nghìn tỷ giây (atto giây), nó đã tạo ra gần 1 terawatt năng lượng, gấp - 1 lần so với lượng điện trung bình hàng năm mà một nhà máy điện hạt nhân tạo ra.
LCLS-II là phiên bản nâng cấp của Linear Coherent Light Source, được đặt tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, nằm cạnh Đại học Stanford ở Menlo Park, California. Thiết bị này sử dụng công nghệ laser electron tự do để tăng tốc chùm electron lên gần tốc độ ánh sáng và dao động chùm electron qua một loạt từ trường để phát ra tia X mạnh. Những tia X này có thể được sử dụng để chụp ảnh các vật thể nhỏ, chẳng hạn như phân tử, để quan sát sự tương tác giữa các nguyên tử bên trong chúng.
LCLS-II có thể phát ra tới một triệu xung tia X mỗi giây, gấp 8,000 lần so với các laser LCLS trước đó. Khi kết hợp tốc độ xung tăng với số lượng electron tăng trên mỗi xung, thiết bị mới sáng hơn thiết bị tiền nhiệm của nó gấp 10,000 lần.
Đáng chú ý là LCLS-II có thể phát ra tới 1 triệu xung tia X mỗi giây, tăng gấp 8,000- lần so với laser LCLS trước đó. Kết hợp với tốc độ xung tăng lên và số lượng electron lớn hơn trên mỗi xung, thiết bị mới sáng hơn 10,000 lần so với thiết bị tiền nhiệm. Ngoài ra, thiết bị có thể tạo ra các xung ngắn từ 10-50 femto giây, với thời lượng xung kéo dài tới 250 femto giây đối với tia X năng lượng thấp và thậm chí có khả năng tạo ra các xung rất ngắn dưới 10 femto giây.
Với các bước sóng ngắn, xung ngắn và sự lặp lại nhanh của tia laser, các nhà khoa học có thể sử dụng thiết bị để quan sát các phản ứng hóa học diễn ra. Về cơ bản, mỗi xung có thể chụp ảnh cấu hình của các nguyên tử tham gia vào phản ứng và sau đó các hình ảnh này có thể được xâu chuỗi lại với nhau để tạo ra hiệu ứng tương tự như "phim đất sét" phân tử. Năm 2018, cơ sở LCLS đã sản xuất thành công một bộ phim về thị giác của con người và các quá trình hóa học liên quan đến quang hợp chỉ trong 1,000 femto giây.
LCLS-II không chỉ có khả năng chụp ảnh các vật thể nhỏ mà còn có độ chính xác lên tới 1 angstrom (10^-10 mét). Khả năng này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu đi sâu vào các quá trình nguyên tử trong các lĩnh vực từ hệ thống sinh học đến quang điện và pin nhiên liệu. Đồng thời, thiết bị laser này cũng sẽ giúp các nhà khoa học khám phá sâu hơn các hiện tượng vật lý như siêu dẫn, sắt điện và từ tính.
Một trong những thành phần chính của bản nâng cấp là việc lắp đặt một số công nghệ mang tính cách mạng. Trong khi bàn đạp ga trước đây hoạt động ở nhiệt độ phòng, thì LCLS-II nâng cấp sử dụng cụm bàn đạp ga siêu dẫn, cho phép nó hoạt động ở nhiệt độ thấp tới gần độ không tuyệt đối (-456 độ F hoặc -271 độ.) LCLS-II cũng có nam châm tốt hơn để xoay chùm electron.
Mặc dù LCLS-II mới bắt đầu hoạt động, nhưng thành công của bàn đạp ga LCLS ban đầu đã mang lại cho các nhà nghiên cứu lý do để lạc quan. Hơn 3.000 nhà khoa học đã sử dụng cơ sở này, xuất bản hơn 1.450 bài báo. Các ứng dụng trong tương lai của máy phát xung tia X mạnh mẽ này rất hứa hẹn và dự kiến ​​sẽ mang lại những hiểu biết mới và đột phá cho lĩnh vực nghiên cứu khoa học.