科学の最も深い謎の多くは、顕微鏡的なスケールに隠されています。これらの謎を明らかにするために、世界中の研究者は、米国エネルギー省のスタンフォード線形アクセラレータセンター（SLAC）国立研究所に集まり、線形コヒーレント光源（LCLS）を使用して探索しています。
LCLSは巨大顕微鏡のように機能し、ウルトラ{-明るいx -レイパルスを発し、さまざまな精密科学機器に向けます。科学者はそれを使用して、原子の瞬間的な動きをキャプチャし、化学反応の実際の-時間のダイナミクスを追跡し、材料のユニークな特性を明らかにし、生命の基本的なメカニズムに関する洞察を得ます。 10年以上にわたる操作が成功した後、LCLSはLCLS - IIと呼ばれる重要なアップグレードを完了しました。アップグレードされたシステムは、x -レイパルスの繰り返し率を毎秒120倍から1秒あたり100万回まで増加させ、10倍近く増加します。この跳躍は、新世代の実験機器と研究方法を生み出し、科学者がかつて手の届かないと考えられていた切断-エッジの科学的質問に取り組むことができるようにしています。
効果的な光子のキャプチャ：数日から瞬間への飛躍
さまざまな研究機器の中で、QRIXSとChemrixs分光計は、共鳴非弾性X -光線散乱（RIXS）テクノロジーを利用しています。この技術は、x -レイパルスでサンプルを照らすことで機能し、その内側-シェル電子を刺激します。電子が安定した状態に戻ると、光子の形でエネルギーを放出します。これらの放出された光子を分析することにより、研究者は反応の中間プロセスを再構築し、量子材料の電子特性を正確にプローブできます。
SLACのチーフサイエンティストであり、QRIXS InstrumentのヘッドであるGeorgi Dakovskiは、Rixsは信号収量が非常に低い測定技術であると説明しています。実験では、インシデントx -光線光子の大部分がサンプルによって吸収または散乱され、検出器に到達することはありません。平均して、数十億の入射光子ごとに1つだけが、正常に検出できる効果的な信号を生成します。 Georgi Dakovskiは次のように述べています。LCLSの元のパルス周波数では、わずかな効果的な光子でさえキャプチャすることは、十分なデータを蓄積するために長い間待たなければならなかったため、芸術形態でした。」
ただし、LCLSはX -レイが1秒あたり100〜10,000倍高いレートでパルスを生成するようになりました。かつて1日かかったRIXS測定値は、数分または数秒で取得できるようになりました。
Georgi Dakovski氏は次のように述べています。「この改善により、顕著な変化が生じました。データ収集の速度が大幅に増加しただけでなく、明確さも前例のないものでもあります。実際の-材料が時間をかけて変換され、材料内のエネルギーの伝達を追跡し、材料間の相互作用を監視する方法を監視することができます。 LCLSの大幅に強化されたx -光線パルス周波数。
Georgi Dakovskiは、Qrixs Instrumentの隣に立っています
この春、アップグレードが完了した後、Qrixs Instrumentがデビューしました。これは、110度回転できる12 -フィート-の長い分光計を備えた巨大なデバイスであり、RIXSテクノロジーを利用して、固体-状態材料の量子ダイナミクスを研究します。その大きなサイズにより、科学者は複数の角度から非常に高解像度で材料を分析することができますが、高品質のデータを取得するにはx -光線の大きな入力も必要です。これらの機能は、LCLSユーザーコミュニティにとって長い間差し迫ったニーズでしたが、光子の要件が非常に高いため、現在は実現可能になっています。
研究者は現在、QRIXを使用して、エネルギー損失がゼロで電力を送信できる高-温度超伝導体などの材料を学習しています。基礎となる量子現象をより深く理解することで、より効率的な量子コンピューターの開発を促進し、医療用の磁気共鳴画像装置（MRI）機器を改善し、潜在的なロスレス送電式送信ネットワークの大規模な実現を可能にします。
Kristjan KunnusとChemrixs機器
QRIXSは主に量子材料の研究に使用されますが、Chemrixsは、超-純水から化学溶媒まで、液体サンプルの化学的特性を分析するために特別に設計されています。 Chemrixsは、光合成の中間ステップなど、化学プロセスに関する詳細な洞察を研究者に提供し、将来の人工光合成システムの開発につながる可能性があります。
Chemrixsは2021年にインストールされ、LCLSビームラインで数年間動作しており、大量のデータが蓄積されています。 SLACの科学者であり、Chemrixs Instrumentの主任研究者であるKristjan Kunnusは、LCLS - IIによってもたらされるx -光線強度の有意な増加が、デバイスの研究の可能性を大幅に拡大したと述べました。彼は、「以前は、{-濃度が低く、より高い-濃度サンプルを使用する必要がありました。これは、実際の-の世界条件下で化学プロセスを完全に反映していませんでした。これで、化学的適用で本当に重要な希釈サンプルを分析することができ、{{9-の質の高いデータには不可能な{9} {9} {9
分子ムービーのキャプチャ：1兆分の1秒で化学反応を追跡する
当時-原子、分子、およびフォトニック科学（TMO）エンドステーションを解決したとき、複数の新しい機器がLCLS - IIのアップグレードされた機能を活用して、生物学、化学、材料科学のさまざまなプロセスをどのように開始するかを研究しています。これらの1つは、Multi -解像度「Cookie Box」（MRCO）機器です。そのコアは、LCLSのより高い繰り返し速度を完全に活用するように設計された16の電子検出器のリングアレイです。この高度なシステムとLCLSの超高速レーザーパルスを組み合わせることにより、研究者は、電子が分子から逃げる瞬間を正確に特定し、脱出電子のエネルギースペクトルと角度分布を非常に高い精度で測定できます。これらの測定により、科学者は、自然のタイムズスケールの分子システム内の電荷とエネルギーの移動を1兆分の1兆分の1兆分の1分の1に解決できます。最終的に、そのような研究は量子理論の限界をテストするだけでなく、より効率的な触媒と燃料を設計するための重要な洞察を提供します。
SLACの科学者でMRCOの機器の長であるRazib Obaidは、次のように述べています。このアップグレードは、各実験で探求できる科学的境界を拡大しました。」
TMOターミナルステーションの新しいメンバーの1つは、動的反応顕微鏡（夢）です。名前が示すように、Dreamは、研究者が化学変換中に個々の分子の状態を観察できるようにする強力な反応顕微鏡です。機器は、x -光線ビームを単一の分子に焦点を合わせ、分子が「爆発」するまで徐々に電子を剥ぎ取り、すべての化学結合が完全に壊れます。その後、結果のフラグメントが検出され、分子の高い-解像度構造マップを再構築するために使用されます。このような画像を何百万もの画像に蓄積することにより、研究者は最終的に化学反応の分子-レベル「フィルム」を構築できます。
SLACの上級科学者であり、TMO機器の長であるJames Cryan氏は、「この機器は、視力、太陽エネルギー変換、光合成などの光化学プロセスがどのように展開するか、DNAが光を吸収するときのエネルギーをどのように透過するか、電子が片方の側面に移動する方法など、最も基本的なレベルで現象を理解することができます。
この画期的なテクノロジーは、LCLSの高-速度パルス周波数に完全に依存しています。単一の分子反応を完全にキャプチャするには、研究者はほぼ100万の異なる角度から画像を撮影する必要があります。つまり、数百万のX -光線曝露を意味します。 2020年、チームは既存のビームラインにプロトタイプを作成して、能力検証を作成しました。彼らはデータを収集するために1週間費やしましたが、分子膜の単一のフレームしか生成できませんでした。
ジェームズ・クライアンは、「元の条件下では、単一の反応を完全に解決するのに何年もかかったかもしれません。今、夢がアップグレードされたLCLSビームラインで動作しているため、これらのプロセスを完全に新しい方法で観察できます。
LCLSでのデータ収集能力の大幅な増加は、新しい研究方法を生み出しただけでなく、基礎的なAIモデルをトレーニングするための大量のデータを生成しました。これらのAIモデルは、研究者がデータをより効率的に収集して新しい材料を探索し、ビームライン調整中にオペレーターに実際の-時間支援を提供するのに役立ちます。 LCLSの研究開発ディレクターであるMatthias Klingは、「このAI技術の深い統合は、間違いなく研究環境を再構築し、科学的発見のペースを加速するでしょう」と述べました。
パフォーマンスの向上と新しい機器システムにより、LCLS - IIアップグレードは、LCLS研究の範囲を大幅に拡大しました。研究者は現在、最初の実験のデータを分析しており、今年より多くの実験を行う予定です。これらの高度な施設によって可能になった科学的発見は、世界を形作る基本的なプロセスに対する人類の理解をさらに深めることが期待されています。
