Исследователи из SLAC получили усовершенствованные инструменты для изучения природы
С помощью обновлённых инструментов в центре SLAC LCLS учёные значительно улучшили качество данных и занялись научными исследованиями, которые были недоступны ещё год назад.
Центр SLAC и тайны природы
Исследователи, изучающие мельчайшие явления — от квантовой природы сверхпроводимости до механизмов, управляющих фотосинтезом, — приходят в Национальную лабораторию SLAC Министерства энергетики США, чтобы использовать Linac Coherent Light Source (LCLS).
Подобно гигантскому микроскопу, LCLS посылает импульсы сверхъяркого рентгеновского излучения на специализированные научные инструменты. С их помощью учёные получают чёткие изображения атомных движений, наблюдают за химическими реакциями, исследуют свойства материалов и изучают фундаментальные процессы в живых организмах.
Значимое обновление LCLS
После более чем десятилетия открытий LCLS получил значительное обновление, известное как LCLS-II, которое в конечном итоге увеличит частоту рентгеновских импульсов с 120 до миллиона импульсов в секунду. Это увеличение в 10 000 раз позволило учёным переосмыслить свой научный инструментарий, модернизируя существующие инструменты и разрабатывая новые для решения вопросов, которые ранее были неразрешимы.
Новые инструменты для исследований
Два из этих инструментов, qRIXS и chemRIXS, используют метод, называемый резонансным неупругим рассеянием рентгеновских лучей (RIXS). С помощью этого метода исследователи бомбардируют образец импульсами рентгеновского излучения, возбуждая электроны глубоко внутри, а затем высвобождая избыточную энергию в виде света. Учёные используют этот свет для реконструкции реакции и детального изучения свойств материала.
Изменения в исследованиях
Объясняя природу измерений RIXS, Георги Даковски, ведущий учёный SLAC и руководитель группы qRIXS, отметил, что большинство рентгеновских лучей поглощается или отклоняется от детектора во время экспериментов. Для каждого миллиарда фотонов, попадающих на образец, только один достигает детектора.
«С первоначальной частотой импульсов LCLS захват лишь нескольких фотонов был настоящим искусством. Нам приходилось долго ждать, чтобы собрать достаточно данных для получения значимых результатов», — сказал Даковски.
Но теперь LCLS производит от 100 до 10 000 раз больше рентгеновских импульсов каждую секунду. Измерения RIXS, которые когда-то занимали дни, теперь дают результаты за минуты или даже секунды.
«Увеличение уже привело к удивительным изменениям, — сказал Даковски. — Данные поступают быстрее и с ясностью, которой мы раньше не видели. Это помогает нам увидеть, как материалы трансформируются с течением времени. Мы можем наблюдать, как энергия течёт через материал, и как взаимодействуют атомные компоненты. Мы можем создавать покадровые „фильмы“ динамических процессов. Это возможно только благодаря увеличению частоты рентгеновских импульсов LCLS».
Новые возможности для исследований
Модернизация позволила представить qRIXS этой весной: массивный инструмент с 12-футовым спектрометром, который поворачивается на 110 градусов. Инструмент использует RIXS для изучения квантовой динамики твёрдых кристаллических материалов.
Сегодня исследователи используют qRIXS для изучения таких материалов, как высокотемпературные сверхпроводники, которые передают электричество без потерь энергии. Более глубокое понимание квантовых явлений, стоящих за сверхпроводимостью, может помочь нам разработать более эффективные квантовые компьютеры, устройства магнитно-резонансной томографии (МРТ) для медицинских применений и потенциально безпотерные энергосистемы в масштабе.
Анализ химии жидких образцов
В то время как qRIXS фокусируется на исследованиях квантовых материалов, chemRIXS предназначен для анализа химии жидких образцов, от сверхчистой воды до химических растворителей. ChemRIXS предоставляет исследователям детальный взгляд на химические процессы, такие как промежуточные этапы фотосинтеза, что однажды может привести к разработке искусственных фотосинтетических систем.
Установленный в 2021 году, chemRIXS собирал данные на линии LCLS в течение нескольких лет до обновления LCLS-II. Кристьян Куннус, научный сотрудник SLAC и руководитель группы chemRIXS, сказал, что увеличение количества рентгеновских лучей изменило возможности исследований для этого инструмента.
«Ранее мы не могли исследовать солаты с низкой концентрацией, поэтому нам приходилось использовать более высокие концентрации, которые не полностью отражали химию в реальных условиях», — сказал Куннус.
«Теперь мы можем анализировать разбавленные образцы, которые имеют значение в химических приложениях, и при этом получать высококачественные данные, что раньше было невозможно».
Новые инструменты в конце станции Time-resolved Atomic, Molecular and Optical Science (TMO)
В конце станции Time-resolved Atomic, Molecular and Optical Science (TMO) несколько новых инструментов используют модернизацию LCLS-II для изучения того, как электроны запускают процессы в биологии, химии и материаловедении.
Один из этих инструментов, Multi-Resolution Cookie Box (MRCO), оснащён кольцевым массивом из 16 детекторов электронов, предназначенных для максимально эффективного использования увеличенной частоты повторения импульсов LCLS.
В сочетании с ультрабыстрыми лазерными импульсами LCLS исследователи могут точно определить момент, когда электрон выбрасывается из молекулы. Они также могут измерять энергетический спектр и угловое распределение выброшенных электронов с чрезвычайно высокой точностью.
Вместе эти измерения помогают исследователям понять, как заряд и энергия передаются в молекулярных системах в их естественных временных масштабах: всего за миллионную долю миллиардной доли секунды. В конечном итоге эти исследования проверяют пределы квантовой теории и способствуют разработке более совершенных катализаторов и более эффективного топлива.
«Мы больше не ограничены этим узким окном, через которое нам приходилось смотреть раньше, — говорит Разиб Обэйд, научный сотрудник SLAC и руководитель группы MRCO. — Эта модернизация расширила окно того, что мы можем изучать в каждом эксперименте».
Динамический реакционный микроскоп (DREAM)
Также новым для TMO является инструмент Dynamic REAction Microscope (DREAM). Как следует из названия, DREAM — это мощный реакционный микроскоп, который позволяет исследователям изучать отдельные молекулы, подвергающиеся химическим изменениям.
DREAM фокусирует рентгеновский луч на отдельной молекуле, лишая её электронов до тех пор, пока она не «взорвётся» и все связи в молекуле не будут разорваны. Взрывающиеся фрагменты затем обнаруживаются и используются для создания высокодетализированного изображения молекулы. Собирая миллионы таких изображений, исследователи могут в конечном итоге создать молекулярный фильм химической реакции.
«Как разворачиваются фотохимические процессы — такие как зрение, солнечная энергия, фотосинтез? Как ДНК направляет энергию, когда поглощает свет? Как электрон перемещается с одной стороны молекулы на другую? Этот инструмент даёт нам представление о том, как работают эти вещи на фундаментальном уровне», — сказал Джеймс Крайан, старший научный сотрудник SLAC и руководитель группы TMO.
Этот новаторский метод полностью зависит от высокой частоты импульсов LCLS. Чтобы полностью зафиксировать молекулярную реакцию, исследователям необходимо сфотографировать её почти с миллиона разных ракурсов, что требует нескольких миллионов рентгеновских снимков.
В 2020 году команда построила прототип, чтобы продемонстрировать его возможности на исходной линии. Они потратили неделю на сбор данных, но собрали достаточно информации только для создания одного кадра молекулярного фильма, который они надеялись скомпилировать.
«С первоначальной настройкой на это потребовались бы годы, чтобы полностью понять одну реакцию», — сказал Крайан.
«Теперь, когда DREAM работает на модернизированной линии LCLS, мы получаем совершенно новый взгляд на эти процессы. Эта модернизация стала поворотным моментом — она сделала возможными исследования, которые ранее были невозможны».
Увеличение объёма данных
Огромный рост объёма данных, собираемых в LCLS, не только делает возможными совершенно новые методы исследования, но и создаёт огромные массивы данных для обучения основополагающих моделей искусственного интеллекта. Такие модели искусственного интеллекта могут помочь исследователям более эффективно собирать данные в поисках новых материалов и помогать операторам настраивать линии ускорителей в режиме реального времени.
«Эта интеграция технологий искусственного интеллекта призвана преобразовать исследовательскую среду, способствуя ускоренному научному открытию», — сказал Матиас Клинг, директор по науке и исследованиям и разработкам в LCLS.
Предоставлено SLAC National Accelerator Laboratory
Linac Coherent Light Source (LCLS).”,”Like a giant microscope, LCLS sends pulses of ultrabright X-rays to a suite of specialized scientific instruments. With these tools, scientists take crisp pictures of atomic motions, watch chemical reactions unfold, probe the properties of materials and explore fundamental processes in living things.”,”After more than a decade of discoveries, LCLS got a significant upgrade—known as LCLS-II—that will ultimately increase its X-ray pulse rate from 120 to a million pulses per second.”,”This about 10,000-fold increase allowed scientists to reimagine their scientific toolkit, refurbishing existing tools and designing new ones to tackle questions that had previously been impossible to address.”,”Two of these tools, the qRIXS and chemRIXS instruments, use a technique called resonant inelastic X-ray scattering (RIXS). With this method, researchers bombard a sample with X-ray pulses, exciting the electrons deep within, then releasing that excess energy in the form of light. Researchers use this light to reconstruct the reaction and study a material’s properties in fine detail.”,”By their nature, RIXS measurements are very \”photon hungry,\” explained Georgi Dakovski, SLAC lead scientist and qRIXS instrument lead. Most X-rays are absorbed or deflected away from the detector during experiments. For every billion photons that hit the sample, only one will reach the detector.”,”\”With the original LCLS pulse rate, capturing just a handful of photons was a work of art. We had to wait a long time to collect enough data for meaningful results,\” Dakovski said.”,”But now, LCLS produces between 100 and 10,000 times more X-ray pulses every second. RIXS measurements that once took days now yield results in minutes or even seconds.”,”\”The increase has already made an amazing change,\” Dakovski said.”,”\”Not only is the data coming in faster and with clarity we haven’t seen before, it actually helps us see how the materials are transforming over time. We can watch how energy flows through the material and how the atomic components interact. We can create frame-by-frame ‘movies’ of the dynamic processes. This is only possible due to LCLS’s increased X-ray pulse rate.\””,”The upgrade made it possible to debut qRIXS this spring: a hulking instrument featuring a 12-foot spectrometer that swivels 110 degrees. The tool uses RIXS to investigate the quantum dynamics of solid crystalline materials.”,”While its size allows scientists to examine a material from multiple angles with exceptional resolution, it also requires a huge influx of X-rays to produce quality data. These capabilities have long been on the LCLS user community’s wish list, but its high demand for photons made it impractical until now.”,”Today, researchers are using qRIXS to study materials like high-temperature superconductors, which transmit electricity with zero energy loss. Gaining a better understanding of the quantum phenomena behind superconductivity could help us design more efficient quantum computers, magnetic resonance imaging (MRI) devices for medical applications and potentially lossless power grids at scale.”,”While qRIXS focuses on quantum materials studies, chemRIXS is tailored to analyze the chemistry of liquid samples, from ultrapure water to chemical solvents. chemRIXS provides researchers with a detailed look at chemical processes, such as the intermediate steps of photosynthesis, which could one day lead to the development of artificial photosynthetic systems.”,”Installed in 2021, chemRIXS had been gathering data on the LCLS beamline for several years before the LCLS-II upgrade. Kristjan Kunnus, a SLAC staff scientist and chemRIXS instrument lead, said the surge in X-rays has transformed the research possibilities for this tool.”,”\”Previously, we couldn’t investigate low concentration solvates, so we had to use higher concentrations that didn’t completely reflect the chemistry under realistic conditions,\” Kunnus said.”,”\”Now, we can analyze the diluted samples that matter in chemical applications and still get high-quality data, which just wasn’t possible before.\””,”In the Time-resolved Atomic, Molecular and Optical Science (TMO) end station, several new instruments are leveraging the LCLS-II upgrade to study how electrons kickstart processes in biology, chemistry and materials science.”,”One of these instruments, the Multi-Resolution Cookie Box (MRCO), features a circular array of 16 electron detectors designed to take full advantage of LCLS’s increased repetition rate.”,”Pairing this state-of-the-art system with LCLS ultrafast laser pulses, researchers can pinpoint the moment at which an electron is ejected from a molecule. They can also measure the energy spectrum and angular distribution of ejected electrons with extremely high precision.”,”Together, these measurements help researchers understand how charge and energy is transferred in molecular systems on their natural timescales: just a millionth of a billionth of a second. Ultimately, this research tests the limits of quantum theory and contributes to the design of better catalysts and more efficient fuels.”,”\”We’re no longer limited by this narrow window we had to look through before,\” says Razib Obaid, SLAC staff scientist and MRCO instrument lead. \”This upgrade broadened the window of what we can study in each experiment.\””,”Also new to TMO is the Dynamic REAction Microscope, or DREAM, instrument. As the name suggests, DREAM is a powerful reaction microscope that allows researchers to study individual molecules undergoing chemical change.”,”DREAM focuses the X-ray beam on a single molecule, stripping away its electrons until it \”explodes\” and all bonds in the molecule are broken. The exploding fragments are then detected and used to reconstruct a highly detailed image of the molecule. By compiling millions of these images, researchers can eventually build a molecular movie of a chemical reaction.”,”\”How do photochemical processes—like sight, like solar power, like photosynthesis—unfold? How does DNA funnel energy when it absorbs light? How does an electron move from one side of a molecule to another? This tool gives us insight into how these things work at a fundamental level,\” said James Cryan, SLAC senior scientist and TMO instrument lead.”,”This groundbreaking technique relies completely on LCLS’s rapid pulse rate. To fully capture a molecular reaction, researchers need to photograph it from nearly a million different angles, requiring several million X-ray shots.”,”In 2020, the team built a prototype to demonstrate its capabilities on the original beamline. They spent a week taking data but only gathered enough to create a single frame of the molecular movie they hoped to compile.”,”\”With the original setup, it would have taken years to fully understand a single reaction,\” Cryan said.”,”\”Now that DREAM is operating on the upgraded LCLS beamline, we’re getting an entirely new view of these processes. This upgrade marked a turning point—it has made previously impossible research possible.\””,”The enormous uptick in the volume of data being collected at LCLS is not only making entirely new methods of research possible—it is also generating massive data sets for training foundational AI models. Such AI models can help researchers gather data more efficiently in the search for new materials and aid operators as they tune beamlines in real time.”,”\”This integration of AI technology is poised to transform the research landscape, facilitating accelerated scientific discovery,\” said Matthias Kling, director of science and Research & Development at LCLS.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tSLAC National Accelerator Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник