Рентгеновский лазер LCLS-II обладает беспрецедентной светимостью, и он сможет зафиксировать чем именно заняты атомы и молекулы в ходе фотосинтеза и других химических реакций.
Рентгеновская установка с самой большой светимостью только что пустила свои первые рекордные лучи, которые позволят исследователям наблюдать за атомами, молекулами и химическими реакциями с невероятной детализацией. Установка — рентгеновский лазер линейного ускорителя-источника когерентного излучения-II (LCLS-II) Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии — недавно прошла процесс модернизации, начавшийся более десятилетия назад. Генерируемое ей рентгеновское излучение сейчас в среднем в 10000 раз мощнее, чем на первой установке LCLS.
В сложном процессе образования рентгеновских лучей в LCLS-II участвуют лазеры, электроны, микроволны и магниты. Сначала исследователи используют ультрафиолетовый лазер, чтобы выбить электроны из медной пластины, прежде чем разогнать их с помощью устройства, генерирующего интенсивное микроволновое излучение. Затем электроны проходят через лабиринт, состоящий из тысяч магнитов. Это заставляет их колебаться взад и вперёд и образовывать предсказуемые, хорошо контролируемые импульсы рентгеновского излучения. Исследователи направляют эти импульсы на предметы и материалы, чтобы получить изображения их внутренней структуры. Эти рентгеновские лучи в триллион триллионов раз ярче, чем те, которые используются при медицинских процедурах.
Генерируемые LCLS-II рентгеновские лучи стали настолько ярче оттого, что команда SLAC переоснастила 3-километровую металлическую трубу, через которую проходят электроны, покрытием из ниобия. Этот металл может выдержать беспрецедентную энергию электронов если его охладить до приблизительно -271℃. Чтобы поддерживать подходящую температуру трубы, команде пришлось установить под землёй гигантскую криогенную установку.
Также пришлось решить другие инженерные задачи. «Лабиринт нужно было откалибровать исключительно точно, чтобы рентгеновские импульсы имели правильную форму, — говорит Майк Данн из SLAC. — Нужно было добиться того, чтобы все до одного компоненты системы одновременно работали идеально».
Он и его коллеги начали запускать электроны через туннель из ниобия в сентябре 2022 г. В течение прошедших 12 месяцев они калибровали каждую деталь установки и постепенно повышали её мощность.
«Было невероятно увлекательно наблюдать за изобретением и строительством этого разрушительного и всё же могучего инструмента для наблюдения за природой в процессе», — говорит Надя Зацепина из университета Ла Троба в Австралии. «Сколько было скептиков в начале, которые говорили, что эта нестабильная, шумная дур-машина — первый LCLS — никогда не даст нам науки будущего. Теперь, более десятилетия спустя, использование этих рентгеновских лучей уже полностью себя зарекомендовало и позволило нам с беспрецедентной детализацией увидеть как происходят биохимические процессы на уровне атома».
Зацепина говорит, что LCLS-II позволит учёным создавать «молекулярное кино» о таких биологических процессах, как зрение млекопитающих, фотосинтез, связывание фармакологических препаратов и генная регуляция.
Данн говорит, что способность установки генерировать не только яркие рентгеновские лучи, но также большое количество этих лучей в крайне короткий отрезок времени, позволит исследователям увидеть что происходит внутри технологически значимых материалов, вроде тех, которые используются в устройствах искусственного фотосинтеза или следующего поколения полупроводников. И более экзотических материалов, которые не до конца исследованы на квантовом уровне — сверхпроводники или так называемые топологические фазы — можно будет объяснить, исследовав их с помощью рентгена LCLS-II, — говорит он.
«Это очень многогранный научный инструмент, вроде мощного микроскопа, в который можно рассматривать что угодно — от квантовых материалов до биологических систем, каталитической химии или атомной физики, и всё это будет рассмотрено, и многое другое», — говорит Данн.
Автор — Кармела Падавич-Каллаган (Karmela Padavic-Callaghan).
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Вам также может быть интересно:
