Μικροσκοπικοί διαμαντένιοι καθρέφτες θα μπορούσαν να εξομαλύνουν ήδη επαναστατικά λέιζερ ακτίνων Χ
Πριν από δώδεκα χρόνια, οι φυσικοί ενεργοποίησαν το πρώτο λέιζερ ακτίνων Χ και από τότε αυτό και πολλά άλλα σε όλο τον κόσμο έχουν αποδείξει ότι είναι επαναστατικοί ανιχνευτές υλικών και μορίων. Αλλά οι συσκευές, που ονομάζονται λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XFEL), είναι μόνο εν μέρει σαν λέιζερ. Σε αντίθεση με το καθαρό φως μονού μήκους κύματος που εκπέμπεται από τα συμβατικά λέιζερ, παράγουν θορυβώδεις, χαοτικές δέσμες. Τώρα, οι φυσικοί αναπτύσσουν ένα σχέδιο που θα χρησιμοποιούσε τέλειους καθρέφτες διαμαντιών για να κάνουν τους παλμούς ακτίνων Χ πολύ περισσότερο σαν τις συνηθισμένες ακτίνες λέιζερ και ακόμη πιο χρήσιμους.
Με δύο εγκαταστάσεις να συναγωνίζονται τώρα για να πραγματοποιήσουν πειράματα απόδειξης αρχής ήδη από το 2023, οι επίδοξοι χρήστες προσέχουν. «Είμαι ενθουσιασμένη με τις δυνατότητες αυτού», λέει η Serena DeBeer, χημικός στο Ινστιτούτο Max Planck για τη Μετατροπή Χημικής Ενέργειας, η οποία λέει ότι οι δέσμες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη της εσωτερικής λειτουργίας των ενζύμων καθώς καταλύουν αντιδράσεις. Αλλά η συνειδητοποίηση τέτοιων εξελιγμένων XFEL μπορεί να διαρκέσει 10 χρόνια και δεν θα είναι εύκολη, προειδοποιεί ο Harald Sinn, φυσικός ακτίνων Χ στο Ευρωπαϊκό XFEL:«Υπάρχουν εφιάλτες μπροστά».
Ένα συμβατικό λέιζερ αποτελείται από ένα υλικό που εκπέμπει φως που βρίσκεται ανάμεσα σε δύο καθρέφτες. Οι προσεκτικά τοποθετημένοι καθρέφτες σχηματίζουν μια κοιλότητα που αντηχεί με φως του επιθυμητού μήκους κύματος, ακριβώς όπως ένας σωλήνας οργάνου κουδουνίζει με ήχο συγκεκριμένου ύψους. Καθώς το φως περνά εμπρός και πίσω μέσα από το υλικό, διεγείρει το υλικό να παράγει περισσότερα φωτόνια του ίδιου μήκους κύματος, ενισχύοντας το φως μέχρις ότου ένα κύμα πανομοιότυπων φωτονίων βαδίζει σε κβαντομηχανικό κλείδωμα —μια δέσμη λέιζερ— λάμπει μέσα από έναν καθρέφτη, ο οποίος είναι έχει γίνει σκόπιμα ατελώς αντανακλαστικό.
Αυτό το σχήμα δεν θα λειτουργήσει για ακτινογραφίες. Οι φυσικοί στερούνται τόσο ένα προφανές υλικό ακτινοβολίας όσο και, μέχρι πρόσφατα, καθρέφτες που θα αντανακλούν τις ακτίνες Χ σε αρκετά μεγάλες γωνίες για να σχηματίσουν μια κοιλότητα συντονισμού. Έτσι χρησιμοποιούν έναν επιταχυντή σωματιδίων για να εκτοξεύουν μια δέσμη ηλεκτρονίων σε έναν σωλήνα κενού και μέσα από μακριές αμαξοστοιχίες μαγνητών που ονομάζονται κυματιστές, οι οποίοι τινάζουν τα ηλεκτρόνια από τη μία πλευρά στην άλλη, ώστε να εκπέμπουν φωτόνια ακτίνων Χ. Στη συνέχεια, το φως ταξιδεύει μαζί με τα ηλεκτρόνια και τα σπρώχνει σε μικροδέσμες, οι οποίες ταλαντεύονται από κοινού και ακτινοβολούν πολύ πιο δυνατά, παράγοντας μια έκρηξη ακτίνων Χ μήκους μόλις femtoseconds.
Το πρώτο λέιζερ ελεύθερου ηλεκτρισμού εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1970, παράγοντας μικροκύματα πολύ μεγαλύτερου μήκους κύματος. Μόλις το 2009 οι φυσικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC πέτυχαν το κατόρθωμα για τις «σκληρές» ακτίνες Χ, όταν χρησιμοποίησαν τον γραμμικό επιταχυντή μήκους 3 χιλιομέτρων του εργαστηρίου για να πυροδοτήσουν το πρώτο XFEL στον κόσμο, τη Συνεκτική Πηγή Φωτός Linac (LCLS). ). Άλλες χώρες έκτοτε κατασκεύασαν μισή ντουζίνα XFELS.
Όπως συμβαίνει με τις συνηθισμένες ακτίνες λέιζερ, οι ακτίνες Χ από ένα XFEL φτάνουν σε ομαλά μέτωπα, όπως τα κύματα του ωκεανού σε μια παραλία. Ένας μόνο παλμός XFEL μπορεί να διασκορπίσει έναν κρύσταλλο μεγέθους νανομέτρων και να αποκαλύψει την ατομική του δομή, ακόμη και όταν φυσά τον κρύσταλλο σε κομμάτια. Οι βιολόγοι έχουν χρησιμοποιήσει XFEL για να προσδιορίσουν τις δομές μυριάδων πρωτεϊνών και άλλων μορίων που δεν θα σχηματίσουν κρυστάλλους αρκετά μεγάλους ώστε να μελετηθούν σε λιγότερο έντονες πηγές ακτίνων Χ. Επειδή όμως ένα XFEL χρησιμοποιεί διακυμάνσεις στην πυκνότητα της δέσμης ηλεκτρονίων για να αρχίσει να παράγει ακτίνες Χ, ο ένας παλμός ποικίλλει σε ένταση από τον άλλο και κάθε παλμός έχει ένα ευρύ και τυχαία κατανεμημένο φάσμα μηκών κύματος.
Για να καταστείλουν τέτοιο θόρυβο, οι φυσικοί έχουν στραφεί σε μια ιδέα που κυκλοφόρησε εδώ και δεκαετίες, λέει ο Kwang-Je Kim, φυσικός επιταχυντών στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne. «Οι άνθρωποι μιλούσαν για αυτό κατά καιρούς πίνοντας ποτά, αλλά ήταν συζήτηση για πάρτι», λέει. "Κανείς δεν έκανε σοβαρούς υπολογισμούς" μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 2000, όταν ο Kim και άλλοι αντιμετώπισαν το ζήτημα.
Η ιδέα είναι να εξαγάγουμε μέρος του παλμού ακτίνων Χ που δημιουργείται από μια δέσμη ηλεκτρονίων και να το τροφοδοτούμε πίσω στην είσοδο των κυματιστών ακριβώς εγκαίρως για να επικαλύπτεται με την επόμενη δέσμη ηλεκτρονίων. Οι ανακυκλοφορούμενες ακτίνες Χ θα χρησίμευαν ως σπόρος που αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να ακτινοβολούν πιο προβλέψιμα. Σε επαναλαμβανόμενους κύκλους, οι παλμοί ακτίνων Χ θα πρέπει να γίνονται πολύ καθαροί και ομαλοί, με εξάπλωση των μηκών κύματος μόνο 1/1000 πλάτους όσο οι συνηθισμένοι παλμοί XFEL.
Το σχέδιο απαιτεί όμως πολύ ιδιαίτερους καθρέφτες. Οι ακτίνες Χ διαπερνούν το μεγαλύτερο μέρος του υλικού, αλλά εδώ και 100 χρόνια, οι φυσικοί γνώριζαν ότι ένας τέλειος κρύσταλλος πρέπει να αντανακλά τις ακτίνες Χ σε συγκεκριμένες γωνίες, ανάλογα με την ενέργεια των ακτίνων Χ και τη δομή και τον προσανατολισμό του κρυστάλλου, καθώς οι ακτίνες Χ διαθλώνται από παράλληλα επίπεδα ατόμων στον κρύσταλλο. Ο κρύσταλλος λειτουργεί επίσης ως φίλτρο, καθώς ανακλά τις ακτίνες Χ σε ένα στενό εύρος μηκών κύματος. Τέτοιοι κρυστάλλινοι καθρέφτες παρέμειναν φιλοδοξία μέχρι το 2010, όταν ο Yuri Shvyd'ko, φυσικός ακτίνων Χ στο Argonne, και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι τα μικρά συνθετικά διαμάντια μπορούν να αντανακλούν ακτίνες Χ με 99% αποτελεσματικότητα. Ευτυχώς, η δέσμη ενός XFEL έχει πλάτος μικρότερο από 100 μικρόμετρα. «Δεν χρειάζεσαι μεγάλο κρύσταλλο», λέει ο Shvyd'ko. "Χρειάζεστε έναν τέλειο κρύσταλλο μικρού μεγέθους."
Το σχήμα απαιτεί επίσης έναν γραμμικό επιταχυντή με υψηλό ρυθμό επανάληψης, για να διασφαλιστεί ότι η δέσμη ακτίνων Χ συναντά μια νέα δέσμη ηλεκτρονίων κάθε φορά που στρογγυλεύει το κύκλωμα των κατόπτρων της. Ο αρχικός επιταχυντής της SLAC είναι πολύ αργός, πυροδοτώντας 120 φορές το δευτερόλεπτο. Το ευρωπαϊκό XFEL τρέχει με 2,2 εκατομμύρια κύκλους το δευτερόλεπτο, επομένως μια κοιλότητα μήκους μόλις 136 μέτρων θα συγχρονίσει τις ακτίνες Χ με τις δέσμες ηλεκτρονίων. Η SLAC εγκαθιστά έναν επιταχυντή που θα λειτουργεί με 1 εκατομμύριο κύκλους ανά δευτερόλεπτο από το 2022.
Για να δοκιμάσουν τα βασικά στοιχεία για ένα XFEL με βάση την κοιλότητα, φυσικοί από το Argonne, το SLAC και το ιαπωνικό εργαστήριο Spring-8 σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν τέσσερα κρυστάλλινα κάτοπτρα για να χτίσουν μια κοιλότητα μήκους 66 μέτρων γύρω από επτά κυματιστές LCLS. Παλεύοντας με τον τρέχοντα επιταχυντή της SLAC, θα εκτοξεύσουν δύο δέσμες ηλεκτρονίων που χωρίζονται κατά 220 νανοδευτερόλεπτα μέσω των κυματιστών και ελπίζουν να δείξουν ότι οι ανακυκλοφορούσες ακτίνες Χ από την πρώτη δέσμη κάνουν τη δεύτερη δέσμη να ακτινοβολεί πιο αποτελεσματικά. Το σύστημα θα πρέπει να τεθεί σε λειτουργία το 2023, λέει ο Gabriel Marcus, φυσικός επιταχυντών στην SLAC. Οι ερευνητές του Ευρωπαϊκού XFEL σχεδιάζουν να εφαρμόσουν ένα ελαφρώς διαφορετικό σχέδιο έως το 2024. Ελπίζουν να στείλουν έως και 2700 δέσμες ηλεκτρονίων μέσω των κυματιστών και να παρακολουθήσουν τη δέσμη λέιζερ να γίνεται πιο δυνατή και ομαλή με κάθε πέρασμα.
Ο Πάτρικ Ράουερ, ένας φυσικός ακτίνων Χ στο Πανεπιστήμιο του Αμβούργου που έχει μοντελοποιήσει το ευρωπαϊκό έργο XFEL σε υπολογιστή, προειδοποιεί ότι το σχέδιο θα απαιτήσει εξαιρετική ακρίβεια, με τα διαμάντια μεγέθους χιλιοστού να είναι ευθυγραμμισμένα σε μερικά εκατομμυριοστά του βαθμού. «Είναι ένα σημαντικό πρόβλημα», λέει ο Rauer. «Αυτό θα είναι πολύ δύσκολο». Ο Ilya Agapov, φυσικός επιταχυντών στο γερμανικό εργαστήριο Electron Synchrotron, λέει ότι ακόμη πιο δύσκολο θα είναι η διατήρηση της ευθυγράμμισης καθώς οι κυκλοφορούντες ακτίνες Χ θερμαίνουν τους καθρέφτες.
Ωστόσο, οι πιθανοί χρήστες προβλέπουν σημαντικά οφέλη. Για παράδειγμα, ο Christian Gutt από το Πανεπιστήμιο του Siegen χρησιμοποίησε το ευρωπαϊκό XFEL για να μελετήσει πώς οι πρωτεΐνες στο διάλυμα διαχέονται και συγκεντρώνονται σε χρονικές κλίμακες τόσο σύντομες όσο νανοδευτερόλεπτα, μελετώντας συσχετίσεις στα μοτίβα των ακτίνων Χ που διαθλώνται από τις πρωτεΐνες. Αυτά τα μοτίβα θα ήταν πολύ πιο ευκρινή με ένα XFEL που βασίζεται σε κοιλότητα, λέει. "Αυτό θα άλλαζε το παιχνίδι για εμάς."
Με το εξαιρετικά στενό του φάσμα, ένα XFEL που βασίζεται στην κοιλότητα μπορεί ακόμη και να χρησιμεύσει για τον έλεγχο των κβαντικών καταστάσεων των ατομικών πυρήνων, όπως οι ατομικοί φυσικοί ελέγχουν τώρα τις καταστάσεις των ατόμων με ορατό φως, λέει η Linda Young, ατομικός φυσικός στο Argonne. «Είναι πολύ άγριο», λέει. Το μόνο που θα χρειαστεί είναι μερικοί καθρέφτες—και πολλή σκληρή δουλειά.
*Διόρθωση, 30 Αυγούστου, 4 μ.μ.: Αυτή η ιστορία έχει αλλάξει για να σημειωθεί ο σωστός αριθμός κυματιστών και το μήκος της κοιλότητας στο πείραμα στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC
