Иногда величайшие загадки науки раскрываются в мельчайших масштабах. Лазеры на свободных электронах используются в исследовании строения молекул и атомов, зондирования ионизированных газов и поиска новых материалов. Модернизация LCLS и, в частности, увеличение частоты импульса лазера позволит повысить производительность двух важных инструментов установки: приборов qRIXS и chemRIXS. Оба ои используют метод резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS), бомбардируя образец рентгеновскими импульсами, чтобы возбудить находящиеся глубоко внутри электроны. В результате высвобождается избыточная энергия в виде света. Этот свет помогает ученым воссоздавать реакции и детально изучать свойств материалов.
По своей природе измерения RIXS очень «жадные до фотонов», пояснил Георгий Даковский, ведущий научный сотрудник SLAC. Большая часть рентгеновских лучей поглощается или отклоняется от детектора во время экспериментов. На каждый миллиард фотонов, попадающих на образец, только один достигает детектора. «При исходной частоте импульсов LCLS регистрация всего лишь нескольких фотонов была настоящим произведением искусства. Нам приходилось долго ждать, чтобы собрать достаточно данных для получения значимых результатов», — сказал он.
Теперь же LCLS-II производит в 100–10 000 раз больше рентгеновских импульсов каждую секунду. Измерения RIXS, которые раньше занимали дни, теперь дают результаты за минуты или даже секунды.
Кроме того, благодаря модернизации стал возможен запуск qRIXS, огромного прибора с 3,6-метровым спектрометром, вращающимся на 110 градусов. Он предназначен для изучения квантовой динамики твердых кристаллических материалов. Хотя его размеры позволяют исследовать материал под разными углами с исключительным разрешением, для получения качественных данных требуется огромный поток рентгеновского излучения. Эти возможности давно были в списке пожеланий команда LCLS, но до недавних пор удовлетворить его было невозможно.
«Это обновление стало поворотным моментом: оно сделало возможным ранее невозможные исследования», — заявил Джеймс Крайан, старший научный сотрудник SLAC.
Сегодня исследователи используют qRIXS для изучения таких материалов, как высокотемпературные сверхпроводники, которые передают электричество с нулевыми потерями энергии. Более глубокое понимание квантовых явлений, лежащих в основе сверхпроводимости, должно помочь нам в разработке более эффективных квантовых компьютеров, устройств магнитно-резонансной томографии и, возможно, масштабных энергосетей без потерь, пишет Stanford News.
Если qRIXS служит для исследования квантовых материалов, chemRIXS предназначен для анализа химии жидких образцов, от сверхчистой воды до химических растворителей. Прибор chemRIXS дает исследователям подробный обзор химических процессов, таких как промежуточные этапы фотосинтеза, что в будущем может привести к разработке искусственных фотосинтетических систем.
«Раньше мы не могли исследовать сольваты низкой концентрации, поэтому нам приходилось брать более высокие концентрации, которые не полностью отражали химию в реальных условиях, — сказал Кристьян Куннус, научный сотрудник SLAC. — Теперь же мы можем анализировать разбавленные образцы, играющие важную роль в прикладной химии, и при этом получать высококачественные данные, что раньше было просто невозможно».
Рентгеновские лазеры на свободных электронах (РЛСЭ) применяются для фундаментальных и прикладных исследований на атомном уровне. Правда, из-за своих внушительных размеров и стоимости доступ к ним ограничен. Использовав лазерно-плазменные ускорители для генерации и поддержания высококачественных электронных пучков, специалисты из США создали компактный РЛСЭ.
