تكمن العديد من أعمق أسرار العلوم على النطاق المجهري. للكشف عن هذه الألغاز ، يتجمع الباحثون من جميع أنحاء العالم في مختبر المركز الوطني لوزارة الطاقة الأمريكية في ستانفورد (SLAC) لاستكشاف مصدر الضوء المتماسك الخطي (LCLS).
وظائف LCLS مثل المجهر العملاق ، تنبعث من نبضات الأشعة - مشرق x - وتوجيهها إلى أدوات علمية مختلفة. يستخدمه العلماء لالتقاط الحركة الفورية للذرات ، وتتبع ديناميات الوقت الحقيقية للتفاعلات الكيميائية ، وكشف الخواص الفريدة للمواد ، واكتساب رؤى في الآليات الأساسية للحياة. بعد أكثر من عقد من التشغيل الناجح ، أكملت LCLS ترقية حرجة تعرف باسم LCLS - II. يزيد النظام الذي تمت ترقيته من معدل تكرار النبضات X - من 120 مرة في الثانية إلى 1 مليون مرة في الثانية ، بزيادة حوالي عشرة أضعاف. تؤدي هذه القفزة إلى الأمام إلى جيل جديد من أساليب المعدات التجريبية وطرق البحث ، مما يتيح للعلماء معالجة أسئلة علمية- التي تم اعتبارها بعيدة المنال.
التقاط فوتونات فعالة: قفزة من أيام إلى لحظات
من بين أدوات البحث المختلفة ، تستخدم مطيافات QRixs و Chemrixs تقنية Scattering (Rixs) الرنانة غير المرنة. تعمل هذه التقنية من خلال إلقاء الضوء على عينة مع نبضات X - ، مثيرة للإلكترونات- ؛ عندما تعود الإلكترونات إلى حالتها المستقرة ، فإنها تطلق الطاقة في شكل فوتونات. من خلال تحليل هذه الفوتونات المنبعثة ، يمكن للباحثين إعادة بناء العمليات الوسيطة للتفاعل والتحقيق بدقة في الخصائص الإلكترونية للمواد الكمومية.
يوضح جورجي داكوفسكي ، كبير العلماء في SLAC ورئيس أداة QRIXS ، أن RIXS هي تقنية قياس ذات عائد إشارة منخفضة للغاية. في التجارب ، يتم امتصاص الغالبية العظمى من الحوادث x - فوتونات الشعاع أو مبعثرها بواسطة العينة ولا تصل إلى الكاشف أبدًا. في المتوسط ، ينتج واحد فقط من بين كل مليار فوتونات حادثة إشارة فعالة يمكن اكتشافها بنجاح. يقول جورجي داكوفسكي: في تردد النبض الأصلي لـ LCLS ، كان الاستيلاء على أدنى فوتون فعال كان شكلًا فنيًا ، حيث كان علينا الانتظار لفترة طويلة لتجميع البيانات الكافية. "
ومع ذلك ، فإن LCLS تنتج الآن نبضات X - بمعدل 100 إلى 10،000 مرة في الثانية. يمكن الآن الحصول على قياسات Rixs التي استغرقت أيامًا لإكمالها في دقائق أو حتى ثوانٍ.
قال جورجي داكوفسكي: "لقد أدى هذا التحسن إلى تغييرات ملحوظة. ليس فقط سرعة الحصول على البيانات زادت بشكل كبير ، ولكن الوضوح غير مسبوق أيضًا. يمكننا الآن مراقبة في الوقت الحقيقي- تعزيز LCLS بشكل كبير X - تردد نبض الشعاع. "
يقف جورجي داكوفسكي بجوار أداة QRIXS
في هذا الربيع ، بعد الانتهاء من الترقيات ، ظهرت أداة QRIXS لأول مرة. هذا جهاز ضخم مجهز بمساحة طيفية طويلة 12- يمكّن حجمها الكبير العلماء من تحليل المواد بدقة عالية للغاية من زوايا متعددة ، ولكنه يتطلب أيضًا إدخالًا كبيرًا من الأشعة X- للحصول على بيانات عالية الجودة. لطالما كانت هذه القدرات حاجة ملحة لمجتمع مستخدمي LCLS ، ولكن نظرًا لمتطلبات الفوتون العالية للغاية ، فقد أصبحت الآن ممكنة الآن.
يستخدم الباحثون الآن QRixs لدراسة المواد مثل الموصلات الفائقة - ، والتي يمكن أن تنقل الكهرباء بدون فقدان الطاقة. يمكن أن يؤدي الفهم الأعمق للظواهر الكمومية الكامنة إلى زيادة تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكثر كفاءة ، وتحسين معدات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) للاستخدام الطبي ، وتمكين تحقيق شبكات نقل الطاقة المحتملة على نطاق واسع.
كريستجان كونوس مع أداة Chemrixs
في حين أن QRIXs تستخدم في المقام الأول في أبحاث المواد الكم ، تم تصميم Chemrixs خصيصًا لتحليل الخصائص الكيميائية للعينات السائلة ، بدءًا من ماء نقي - إلى المذيبات الكيميائية. يوفر Chemrixs للباحثين رؤى تفصيلية في العمليات الكيميائية ، مثل الخطوات الوسيطة لعملية التمثيل الضوئي ، والتي يمكن أن تؤدي إلى تطوير أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي في المستقبل.
تم تثبيت Chemrixs في عام 2021 وتم تشغيله على خط شعاع LCLS لعدة سنوات ، مما يتراكم كمية كبيرة من البيانات. صرح كريستجان كونوس ، عالم SLAC والمحقق الرئيسي لأداة Chemrixs ، أن الزيادة الكبيرة في شدة الأشعة X- التي جلبتها LCLS - II قد وسعت بشكل كبير إمكانات البحث للجهاز. قال: "في السابق ، لم نتمكن من دراسة مذيبات التركيز المنخفضة - واضطررت إلى استخدام عينات تركيز أعلى- ، والتي لم تعكس تمامًا العمليات الكيميائية في التطبيقات الحقيقية -.
التقاط الأفلام الجزيئية: تتبع التفاعلات الكيميائية في تريليونات ثانية
في ذلك الوقت - تم حل العلوم الذرية والجزيئية والضوئية (TMO) ، تقوم أدوات جديدة متعددة بالاستفادة من القدرات التي تمت ترقيتها من LCLS - II لدراسة كيفية بدء الإلكترونات في عمليات مختلفة في علم الأحياء والكيمياء وعلوم المواد. واحدة من هذه هي الدقة المتعددة - "مربع ملف تعريف الارتباط" (MRCO) ، الذي يعد جوهره عبارة عن مجموعة من 16 من كاشفات الإلكترون المصممة للاستفادة الكاملة من معدل التكرار الأعلى لـ LCLS. من خلال الجمع بين هذا النظام المتقدم مع نبضات الليزر فائق السرعة من LCLS ، يمكن للباحثين تحديد الدقة في اللحظة التي تهرب فيها الإلكترونات من الجزيئات وقياس طيف الطاقة والتوزيع الزاوي للإلكترونات الهاربة بدقة عالية للغاية. تمكن هذه القياسات العلماء من حل نقل الشحن والطاقة داخل الأنظمة الجزيئية في المدى الزمني الطبيعي الذي يصل إلى تريليونات ثانية واحدة. في نهاية المطاف ، لا يختبر هذا البحث حدود نظرية الكم فحسب ، بل يوفر أيضًا رؤى مهمة لتصميم محفزات أكثر كفاءة وأنواع الوقود.
صرح Razib Obaid ، عالم SLAC ورئيس أداة MRCO: لم نعد مقيدين من خلال "نافذة المراقبة" الضيقة في الماضي ؛ وسعت هذه الترقية الحدود العلمية التي يمكننا استكشافها في كل تجربة. "
أحد الأعضاء الجدد في محطة TMO هو مجهر التفاعل الديناميكي (DREAM). كما يوحي الاسم ، فإن Dream هو مجهر تفاعل قوي يمكّن الباحثين من مراقبة حالة الجزيئات الفردية أثناء التحولات الكيميائية. تركز الأداة على شعاع الأشعة X - على جزيء واحد ، يخلط تدريجياً إلكتروناته حتى ينفجر الجزيء "مع كل الروابط الكيميائية مكسورة تمامًا. ثم يتم اكتشاف الشظايا الناتجة واستخدامها لإعادة بناء خريطة هيكلية عالية الدقة-. من خلال تراكم الملايين من هذه الصور ، يمكن للباحثين في نهاية المطاف بناء مستوى جزيئي - "فيلم" للتفاعل الكيميائي.
صرح جيمس كرايان ، وهو عالم كبير في SLAC ورئيس أداة TMO ، "يسمح لنا هذا الجهاز بفهم الظواهر في المستوى الأساسي ، مثل كيفية تكشف العمليات الكيميائية الضوئية مثل الرؤية وتحويل الطاقة الشمسية والتمثيل الضوئي ، وكيف يتكشف الحمض النووي عن الطاقة عند امتصاص الضوء ، وكيف تتحرك الإلكترونات من جانب واحد من مولي إلى الآخر."
تعتمد تقنية الاختراق هذه بالكامل على تردد نبض السرعة العالي لـ LCLS. لالتقاط رد فعل جزيئي واحد بالكامل ، يحتاج الباحثون إلى التقاط صور من ما يقرب من مليون زاوية مختلفة ، مما يعني ملايين تعرضات الأشعة X-. في عام 2020 ، بنى الفريق نموذجًا أوليًا على خط الشعاع الحالي للتحقق من القدرة. لقد أمضوا أسبوعًا في جمع البيانات ولكنهم لم يتمكنوا من إنشاء إطار واحد فقط من الفيلم الجزيئي.
قال جيمس كرايان: "في ظل الظروف الأصلية ، ربما استغرق الأمر سنوات لحل رد فعل واحد تمامًا. الآن ، مع تشغيل الحلم على خط شعاع LCLS الذي تمت ترقيته ، يمكننا أن نلاحظ هذه العمليات بطريقة جديدة تمامًا. هذه الترقية هي نقطة تحول ، مما يجعل البحث المستحيل سابقًا حقيقة واقعة."
زيادة كبيرة في سعة جمع البيانات في LCLS لم تولد فقط أساليب بحث جديدة ، ولكن أيضا أنتجت كميات هائلة من البيانات لتدريب نماذج الذكاء الاصطناعي. يمكن أن تساعد نماذج الذكاء الاصطناعي هذه الباحثين على جمع البيانات بشكل أكثر كفاءة لاستكشاف مواد جديدة وتوفير مساعدة الوقت - للمشغلين أثناء تعديلات خط الشعاع. صرح ماتياس كلينج ، مدير البحوث والتطوير في LCLS ، "إن التكامل العميق لتكنولوجيا الذكاء الاصطناعي هذه سيعيد بلا شك إعادة تشكيل المشهد البحثي ويسرع وتيرة الاكتشاف العلمي".
مع الأداء المحسن ونظام الأجهزة الجديدة ، قامت ترقية LCLS - II بتوسيع نطاق أبحاث LCLS بشكل كبير. يقوم الباحثون حاليًا بتحليل البيانات من التجارب الأولى ويخططون لإجراء المزيد من التجارب هذا العام. من المتوقع أن تعمق الاكتشافات العلمية التي تمكّنها هذه المرافق المتقدمة فهم الإنسانية للعمليات الأساسية التي تشكل العالم.
