世界で最も強烈なX線で小さな映画セットを照らす

出典：Marilyn Chung / Berkeley Lab; SLAC/Flickrで検索

カリフォルニアで建設中の世界初の硬質X線自由電子レーザーであるLCLSのアップグレードであるLCLS-II。 ここでは、科学者たちはLCLS-II電子銃の一部として働いています。

2009年、Linac Coherent Light Sourceはレーザーを点灯し、世界で最も強烈なX線光を発射しました。 130メートルの長さの磁石の間で電子を振るように、カリフォルニア州スタンフォードキャンパスの近くにあるこの機械は、1000分の1秒の短いパルスでX線を生成します。 単一パルスは、地球を照らすすべての日光がサムネイルに集中したときに得られる光よりも100倍強い光を生成することができます。

LCLSはX線自由電子レーザー（XFEL）と呼ばれる最初のレーザーでした。 その後、他の国で同様のilkのXFELを構築しました。 2012年日本、2016年韓国、2017年ドイツ。 LCLSと同様に、これらのすべてはサイズがキロメートルで、構築に約10億ドルかかります。

アメリカ物理学会が主催した今年のDAMOP（Division of Atomic、Molecular、およびOptical Physics）会議で科学者がオーランドに集まったとき、XFELの研究は脚光を浴びるのに多くの時間を費やしました。

大きなレーザーには大きな野心があります。 研究者は、XFELを使用して物理学から材料科学、生物学までの分野を形成することができる単一分子行動と化学反応をよりよく理解しています。

密度の高い物質を透過できるため、このような高強度X線は光学光に不透明な物体の微細構造内部を見ることができ、さらに変更するまでします。 例えば、研究者らは、惑星と星をよりよく理解するために、明るいXFELパルスを使用してプラズマを作り、調査しました。

X線の短波長はまた、高解像度イメージングを可能にします。 X線の短いパルスは、非常に高速なカメラシャッターのように機能します。 X線は化学反応を起こし、分子の周りを回る電子の「スナップショット」を撮り、科学者が「分子映画」と呼ぶものを作ります。 一部の研究者はこの技術を使用しています 光合成を研究する 原子レベルで。

映画には、単純な視覚情報以上のものが含まれています。 ローレンス・バークレー国立研究所のThorsten Weberは、「十代の時代」の技術である反応顕微鏡を研究するとWeberは言います。 彼は、放出された粒子の角度と運動エネルギーを同時に測定し、同時に分解される分子の映画を「フィルム化」する技術を使用しています。 XFELはまた、反応でイオンと電子を同時に研究することを可能にするとWeberは言います。 XFELの前に、科学者たちは、イオンが電子よりも千倍以上重いので、電子挙動とイオン挙動を別々に研究していました。

DAMOP会議で発表中、Weberは分子映画にXFELを使用する際の課題の1つである時間について説明しました。 映画を作るために、研究者は関心のある分子にX線パルスを発射して化学反応を引き起こします。 次いで、第２のパルスがイメージングのために分子を照射する。 しかしながら、現在のＸＦＥＬは毎秒最大数千回だけパルスを発生する。 これはすぐに聞こえるかもしれませんが、研究者は何百万回も反応を起こす必要があるため、映画の作成に数日かかることがあります。 世界中の多くの研究者がこれらのマシンを使用する時間を競い合っているため、そのスピードは課題です。

しかし、化学反応を起こすX線とそれを照明するX線が同じパルスで発射できるとしたらどうでしょうか。 Weberは、この場合、動きが発生した時点を追跡するために時間を維持する方法を提案しました。 この技術は、研究者が映画を作るためにレーザーで必要とされる時間を短縮します。

Weberは現在、X線光と紫外線レーザーを組み合わせるよう努めています。 この設定では、研究者はX線でイメージングする前に、まず分子に低エネルギーUV光を照射します。 初期のUV照明は日光が生物と相互作用する方法をより密接に模倣しますが、X線は高いイメージング解像度を提供します。

Argonne National LaboratoryのLinda Youngは、DAMOPでX線パルス自体の研究と制御に関する作業を発表しました。 XFELは、研究者が実験前に測定する必要がある先のとがったノイズの多いスペクトルを生成します。 しかし、この測定は通常、研究者が高強度に耐えられない固体ビームスプリッタにX線を切り替える必要があるため難しいです。 最近の研究では、彼女のチームは、ネオンガスで作られたビームスプリッタでスペクトルを測定する方法を考案しました。 ゴーストイメージング。

Youngのチームはまた、X線とネオンガスとの相互作用を研究するためにドイツのXFEL施設を使用しました。 X線パルスがネオンに当たると光が放出され、この光はX線パルスのスペクトルを順番に変更します。 この出射スペクトルは、ネオン原子の電子構造に関する情報を示す。 ネオンは単純な構造を持っていますが、Youngはこの研究が将来より複雑な分子を調査するのに役立つと言います。 彼女はまた、時間の経過とともにパルス形状に対するX線とネオンの相互作用の影響を研究する予定です。

XFELがリリースされてから10年が少し過ぎたので、WeberやYoungなどの研究者はまだそれを使用するすべての方法を探しており、すぐに期待する新しいおもちゃを持つことになります。 LCLSのアップグレードであるLCLS-IIの建設は、年末までに完了する予定です。 この新しいXFELは、前のモデルの1秒あたり120パルスと比較して、1秒あたり最大100万パルスを生成できます。

研究者がより多くのマシンを持っている場合、大きな違いを生むでしょう。 Youngは「それは私たちに夢の実験に必要な理解を本当に体系的に追跡する機会を提供します」と言います。

Sophia Chenは、オハイオ州コロンバスに住んでいる作家です。