SLAC laver elektronkamera, et værktøj i verdensklasse til ultrahurtig videnskab, tilgængelig for videnskabsmænd over hele verden

I løbet af de sidste par år, Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har udviklet et nyt værktøj til at visualisere fysiske og kemiske processer med enestående klarhed:et ultra-højhastigheds "elektronkamera", der er i stand til at spore atomare bevægelser i en bred vifte af materialer i realtid. Fra denne uge, laboratoriet har gjort dette værktøj tilgængeligt for forskere verden over.

Værktøjet er et instrument til ultrahurtig elektrondiffraktion (MeV-UED). Den bruger en stråle af meget energiske elektroner til at sondere stof og er især nyttig til at forstå atomare processer, der forekommer på tidsskalaer så korte som omkring 100 femtosekunder, milliontedele af en milliardtedel af et sekund. Disse hurtige snapshots giver helt ny indsigt i processer i natur og teknologi, gavnlige applikationer inden for biologi, kemi, materialevidenskab og andre områder.

Den første forslagsdrevne eksperimentelle kørsel af MeV-UED-instrumentet er planlagt til december i år og vil levere disse kraftige elektronstråler til 16 brugergrupper fra over 30 institutioner. Eksperimenter vil i første omgang fokusere på materialevidenskab og hot, tætte stoftilstande.

MeV-UED supplerer laboratoriets suite af verdensførende metoder til undersøgelser af ultrahurtig videnskab, inklusive SLACs flagskib røntgenlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS). Ved at bruge hele bredden af ​​disse metoder, videnskabsmænd kan udforske meget forskellige, dog lige vigtige aspekter af hurtige processer.

"Som svar på en DOE-workshop om fremtiden for elektronspredning og diffraktion i februar 2014, SLAC lancerede et ultrahurtig elektrondiffraktionsinitiativ med det mål at udvikle et verdensførende instrument, hvis egenskaber ville komplementere LCLS's, " siger Xijie Wang, direktør for MeV-UED instrumentet. "At gøre vores banebrydende teknik tilgængelig for det brede videnskabelige samfund og støtte SLAC's program inden for ultrahurtig videnskab er en spændende milepæl for os."

MeV-UED-instrumentet er blevet indbygget i LCLS-brugerfaciliteten, tilføjelse til de forsøgsstationer, der bruger røntgenstråler.

"Hastigheden i udviklingen og anvendelsen af ​​dette nye værktøj til ultrahurtig videnskab har været virkelig bemærkelsesværdig, " siger Mike Dunne, LCLS direktør. "Vi var glade, da Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences godkendte inkorporeringen af ​​MeV-UED i LCLS, giver åben adgang for forskere fra hele USA og rundt om i verden til denne spændende nye kapacitet."

En katalysator for uovertruffen videnskab

Wang og hans team har perfektioneret teknologien siden programmets start i 2014. Undervejs, MeV-UED-forskning har ført til et betydeligt antal publikationer med stor effekt, der beskriver opdagelser i materialer til solceller og datalagring; leverede hidtil usete film af molekyler, der vibrerede og brækkede fra hinanden; så på strålingsskader i materialer til kernefusionsreaktorer; og afdækkede eksotiske fluktuerende materialeegenskaber, der kunne bruges i molekylære switches.

"I løbet af de sidste fire år, vi har vist, at MeV-UED kan føre til et paradigmeskift i ultrahurtig elektrondiffraktion, delvist på grund af dens alsidighed til at sondere en bred vifte af faste og gasformige prøver, " siger Wang. "Elektronernes høje energi, som er unik for vores instrument, har transformeret ultrahurtig elektrondiffraktion fra en kvalitativ videnskab til en kvantitativ, og vores eksperimenter bruges nu til at validere teoretiske forudsigelser og skubbe nye teoretiske udviklinger."

Holdets seneste R&D er afsat til at udforske videnskab i flydende tilstande, det naturlige miljø for mange biokemiske processer, så videnskabsmænd vil snart være i stand til at komme endnu mere ind på nogle af de mest gribende detaljer inden for biologi og kemi.

Forenede kræfter for at bryde ny videnskabelig jord

Det nye instruments fulde potentiale bliver endnu tydeligere, når det kombineres med laboratoriets røntgenlaser.

Med LCLS, forskere kan spore molekylære ændringer, der opstår ekstremt hurtigt - inden for blot et par femtosekunder. Med MeV-UED, de kan afdække skarpe billeder af molekyler med uovertruffen atomopløsning under disse hurtige reaktioner. Begge dele – ekstraordinær opløsning i rum og tid – hjælper med at udvikle et komplet billede af hurtige grundlæggende processer.

Dette er eksemplificeret ved to undersøgelser af en kemisk reaktion, hvor ringformede molekyler brydes op som reaktion på lys - en proces, der spiller en vigtig rolle i produktionen af ​​D-vitamin i vores kroppe. Et par år siden, forskere lavede en molekylær film ved hjælp af LCLS, hvilket gav de allerførste indblik i reaktionens virkemåde. En nyere undersøgelse, ved hjælp af MeV-UED, tilføjet yderligere detaljer i høj opløsning.

"Sammen, LCLS og MeV-UED danner en one-stop røntgenfoton- og elektronfabrik med et symbiotisk forhold, og de imødekommer de brede behov i vores videnskabelige samfund, " siger LCLS-forsker Mike Minitti, hvem er ansvarlig for at integrere en forslagsbaseret udvælgelsesproces for eksperimenter ved MeV-UED-instrumentet, svarende til røntgenanlæggets eksisterende forslagsgennemgangsproces.

Byder velkommen til forskere fra hele verden

I løbet af de seneste år, mens Wangs team byggede deres instrument fra bunden, nogle eksterne grupper blev inviteret til at udføre forskningsprojekter med MeV-UED i samarbejde med SLAC-teamet.

Nu, SLAC har åbnet adgang til instrumentet for stort set alle. Forskere kan indsende forslag til forsøg, som derefter evalueres af et ekspertudvalg, rangeret og, hvis det lykkes, givet tid til at udføre forsøget. Det er på samme måde som LCLS og andre røntgenlyskilder håndterer adgangen til deres instrumenter.

Mens brugere vil komme fra hele verden i løbet af de kommende måneder, det første eksperiment på instrumentet udføres af en forsker, der har været involveret i MeV-UED siden begyndelsen, design af prøvekamre til faste materialer. Alexander Reid, en stabsforsker ved LCLS og Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), indsamler data i denne uge.

"Det er enormt glædeligt at se MeV-UED-systemet, som startede med en can-do-attitude og masser af lånte dele, blive et rigtigt kraftcenter for videnskabelig opdagelse, " siger Reid.

Reid ser på magnetiske fænomener på nanoskalaen i materialer som jern-platin, et nyt, men komplekst materiale, der er relevant for cloud-baseret datahukommelse og kunne forbedre effektiviteten og pålideligheden af ​​datalagring. Men før materialet kan bruges bredt, forskere skal først forstå dens grundlæggende magnetiske adfærd.

"Med LCLS, vi kan få en meget god måling af, hvordan magnetismen ændrer sig på meget hurtige tidsskalaer. Med UED, vi kan se på materialets atomare struktur og hvordan det reagerer på den skiftende magnetisme, "Siger Reid. "At sætte disse to målinger sammen giver det fulde billede af, hvad hele systemet gør."