विज्ञान के कई गहरे रहस्य सूक्ष्म पैमाने पर छिपे हुए हैं। इन रहस्यों को उजागर करने के लिए, दुनिया भर के शोधकर्ता अपने रैखिक सुसंगत प्रकाश स्रोत (LCLS) का उपयोग करने के लिए अमेरिकी ऊर्जा विभाग के स्टैनफोर्ड रैखिक त्वरक केंद्र (SLAC) राष्ट्रीय प्रयोगशाला में एकत्रित हो रहे हैं।
LCLS एक विशाल माइक्रोस्कोप की तरह कार्य करता है, जो अल्ट्रा - उज्ज्वल x - किरण दालों का उत्सर्जन करता है और उन्हें विभिन्न सटीक वैज्ञानिक उपकरणों के लिए निर्देशित करता है। वैज्ञानिक इसका उपयोग परमाणुओं के तात्कालिक आंदोलन को पकड़ने के लिए करते हैं, वास्तविक - रासायनिक प्रतिक्रियाओं के समय की गतिशीलता को ट्रैक करते हैं, सामग्रियों के अनूठे गुणों को उजागर करते हैं, और जीवन के मूलभूत तंत्र में अंतर्दृष्टि प्राप्त करते हैं। सफल ऑपरेशन के एक दशक से अधिक के बाद, LCLS ने LCLS - ii के रूप में जाना जाने वाला एक महत्वपूर्ण उन्नयन पूरा कर लिया है। उन्नत प्रणाली x - किरण दालों की पुनरावृत्ति दर को 120 बार प्रति सेकंड से एक आश्चर्यजनक 1 मिलियन बार प्रति सेकंड, लगभग दस गुना वृद्धि से बढ़ाती है। यह लीप फॉरवर्ड प्रायोगिक उपकरणों और अनुसंधान विधियों की एक नई पीढ़ी को जन्म दे रहा है, जिससे वैज्ञानिकों को - बढ़त से निपटने में सक्षम किया जा सकता है, जो कि कभी भी पहुंच से बाहर माना जाता है।
प्रभावी फोटॉनों को कैप्चर करना: दिनों से लेकर क्षणों तक एक छलांग
विभिन्न शोध उपकरणों में, QRIXS और CHEMRIXS स्पेक्ट्रोमीटर गुंजयमान इनलेस्टिक x - रे स्कैटरिंग (RIXS) तकनीक का उपयोग करते हैं। यह तकनीक x - किरण दालों के साथ एक नमूने को रोशन करके काम करती है, इसके आंतरिक - शेल इलेक्ट्रॉनों को रोमांचक; जब इलेक्ट्रॉन अपनी स्थिर स्थिति में लौटते हैं, तो वे फोटॉनों के रूप में ऊर्जा जारी करते हैं। इन उत्सर्जित फोटॉनों का विश्लेषण करके, शोधकर्ता प्रतिक्रिया की मध्यवर्ती प्रक्रियाओं को फिर से संगठित कर सकते हैं और क्वांटम सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक गुणों की सटीक जांच कर सकते हैं।
SLAC के मुख्य वैज्ञानिक और Qrixs इंस्ट्रूमेंट के प्रमुख जॉर्जी डकोवस्की बताते हैं कि RIXS बेहद कम सिग्नल उपज के साथ एक माप तकनीक है। प्रयोगों में, घटना का विशाल बहुमत x - किरण फोटॉन नमूने द्वारा अवशोषित या बिखरे हुए हैं और कभी भी डिटेक्टर तक नहीं पहुंचते हैं। औसतन, हर अरब की घटना में से केवल एक ही फोटॉन एक प्रभावी संकेत पैदा करता है जिसे सफलतापूर्वक पता लगाया जा सकता है। जॉर्जी डकोवस्की कहते हैं: एलसीएल की मूल पल्स आवृत्ति पर, यहां तक कि थोड़ा प्रभावी फोटॉन को कैप्चर करना एक कला का रूप था, क्योंकि हमें पर्याप्त डेटा जमा करने के लिए लंबे समय तक इंतजार करना पड़ा। "
हालाँकि, LCLS अब X - किरण दालों का उत्पादन करता है, जो प्रति सेकंड 100 से 10,000 गुना अधिक दर पर है। RIXS माप जो एक बार पूरा होने में एक बार लगते हैं, अब मिनटों या सेकंड में भी प्राप्त किया जा सकता है।
जॉर्जी डकोवस्की ने कहा: "इस सुधार ने उल्लेखनीय बदलाव लाए हैं। न केवल डेटा अधिग्रहण की गति में काफी वृद्धि हुई है, लेकिन स्पष्टता भी अभूतपूर्व है। अब हम वास्तविक - समय में देख सकते हैं कि सामग्री समय के साथ कैसे बदलती है, और सभी के बीच की बातचीत को ट्रांस करती है। बढ़ाया x - रे पल्स आवृत्ति। "
जॉर्जी डकोवस्की QRIXS इंस्ट्रूमेंट के बगल में खड़ा है
यह वसंत, अपग्रेड के पूरा होने के बाद, Qrixs इंस्ट्रूमेंट ने अपनी शुरुआत की। यह एक विशाल उपकरण है जो 12 - फुट - लंबे स्पेक्ट्रोमीटर से लैस है, जो 110 डिग्री को घुमाने में सक्षम है, ठोस - राज्य क्रिस्टलीय सामग्री के क्वांटम डायनामिक्स का अध्ययन करने के लिए RIXS तकनीक का उपयोग करता है। इसका बड़ा आकार वैज्ञानिकों को कई कोणों से अत्यधिक उच्च रिज़ॉल्यूशन पर सामग्री का विश्लेषण करने में सक्षम बनाता है, लेकिन उच्च गुणवत्ता वाले डेटा प्राप्त करने के लिए X - किरणों के एक बड़े इनपुट की भी आवश्यकता होती है। ये क्षमताएं लंबे समय से LCLS उपयोगकर्ता समुदाय के लिए एक दबाव की आवश्यकता रही हैं, लेकिन अत्यधिक उच्च फोटॉन आवश्यकताओं के कारण, वे अब केवल संभव हो गए हैं।
शोधकर्ता अब QRIX का उपयोग उच्च - तापमान सुपरकंडक्टर्स जैसी सामग्री का अध्ययन करने के लिए कर रहे हैं, जो शून्य ऊर्जा हानि के साथ बिजली प्रसारित कर सकते हैं। अंतर्निहित क्वांटम घटना की गहरी समझ अधिक कुशल क्वांटम कंप्यूटरों के विकास को चला सकती है, चिकित्सा उपयोग के लिए चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) उपकरण में सुधार कर सकती है, और बड़े पैमाने पर संभावित दोषरहित बिजली संचरण नेटवर्क की प्राप्ति को सक्षम कर सकती है।
क्रिस्टजान कुन्नस के साथ केमरीक्स इंस्ट्रूमेंट
जबकि QRIXS का उपयोग मुख्य रूप से क्वांटम सामग्री अनुसंधान के लिए किया जाता है, Chemrixs को विशेष रूप से तरल नमूनों के रासायनिक गुणों का विश्लेषण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसमें अल्ट्रा - शुद्ध पानी से रासायनिक सॉल्वैंट्स तक शामिल हैं। Chemrixs शोधकर्ताओं को रासायनिक प्रक्रियाओं में विस्तृत अंतर्दृष्टि प्रदान करता है, जैसे कि प्रकाश संश्लेषण के मध्यवर्ती चरण, जो संभावित रूप से भविष्य में कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण प्रणालियों के विकास को जन्म दे सकता है।
Chemrixs 2021 में स्थापित किया गया था और कई वर्षों से LCLS बीमलाइन पर काम कर रहा है, बड़ी मात्रा में डेटा जमा कर रहा है। क्रिस्टजान कुन्नस, एक स्लैक वैज्ञानिक और केमरीक्स इंस्ट्रूमेंट के प्रमुख अन्वेषक ने कहा कि एलसीएलएस - II द्वारा लाई गई एक्स - किरण की तीव्रता में महत्वपूर्ण वृद्धि ने डिवाइस की अनुसंधान क्षमता का बहुत विस्तार किया है। उन्होंने कहा, "पहले, हम कम - एकाग्रता सॉल्वेट्स का अध्ययन नहीं कर सकते थे और उन्हें उच्च - एकाग्रता के नमूनों का उपयोग करना था, जो वास्तविक - के तहत रासायनिक प्रक्रियाओं को पूरी तरह से प्रतिबिंबित नहीं करते थे। अब, हम तिलने के नमूनों का विश्लेषण कर सकते हैं जो वास्तव में रासायनिक अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण हैं और उच्च {9} को प्राप्त कर सकते हैं।
आणविक फिल्मों को कैप्चर करना: एक सेकंड के ट्रिलियन के रासायनिक प्रतिक्रियाओं को ट्रैक करना
उस समय - परमाणु, आणविक, और फोटोनिक विज्ञान (TMO) को हल किया गया, कई नए उपकरण LCLS की उन्नत क्षमताओं का लाभ उठा रहे हैं - II का अध्ययन करने के लिए कि इलेक्ट्रॉनों को जीव विज्ञान, रसायन विज्ञान और सामग्री विज्ञान में विभिन्न प्रक्रियाओं को कैसे शुरू किया जाता है। इनमें से एक मल्टी - रिज़ॉल्यूशन "कुकी बॉक्स" (MRCO) इंस्ट्रूमेंट है, जिसका कोर 16 इलेक्ट्रॉन डिटेक्टरों का एक रिंग सरणी है जिसे LCLS की उच्च पुनरावृत्ति दर का पूरी तरह से लाभ उठाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। LCLS के अल्ट्राफास्ट लेजर दालों के साथ इस उन्नत प्रणाली को मिलाकर, शोधकर्ता अणुओं से बचने के क्षण को ठीक कर सकते हैं और बहुत उच्च परिशुद्धता के साथ भागने वाले इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्पेक्ट्रम और कोणीय वितरण को मापते हैं। ये माप वैज्ञानिकों को प्राकृतिक समयसीमाओं में आणविक प्रणालियों के भीतर चार्ज और ऊर्जा के हस्तांतरण को हल करने में सक्षम बनाते हैं, जो एक सेकंड के एक ट्रिलियनवें के रूप में कम है। अंततः, इस तरह के शोध न केवल क्वांटम सिद्धांत की सीमाओं का परीक्षण करते हैं, बल्कि अधिक कुशल उत्प्रेरक और ईंधन को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि भी प्रदान करते हैं।
एक स्लैक वैज्ञानिक और MRCO इंस्ट्रूमेंट के प्रमुख रज़िब ओबैद ने कहा: हम अब अतीत के संकीर्ण 'अवलोकन खिड़की' से विवश नहीं हैं; इस अपग्रेड ने उन वैज्ञानिक सीमाओं का विस्तार किया है जिन्हें हम प्रत्येक प्रयोग में देख सकते हैं। "
TMO टर्मिनल स्टेशन के नए सदस्यों में से एक डायनामिक रिएक्शन माइक्रोस्कोप (ड्रीम) है। जैसा कि नाम से पता चलता है, ड्रीम एक शक्तिशाली प्रतिक्रिया माइक्रोस्कोप है जो शोधकर्ताओं को रासायनिक परिवर्तनों के दौरान व्यक्तिगत अणुओं की स्थिति का निरीक्षण करने में सक्षम बनाता है। साधन एक x - एक एकल अणु पर किरण बीम पर ध्यान केंद्रित करता है, धीरे -धीरे अपने इलेक्ट्रॉनों को तब तक छीनता है जब तक कि अणु "विस्फोट नहीं होता है," सभी रासायनिक बांड पूरी तरह से टूट जाते हैं। परिणामस्वरूप टुकड़ों का पता लगाया जाता है और इसका उपयोग अणु के एक उच्च - रिज़ॉल्यूशन स्ट्रक्चरल मैप को फिर से बनाने के लिए किया जाता है। ऐसी छवियों के लाखों जमा करके, शोधकर्ता अंततः रासायनिक प्रतिक्रिया के एक आणविक - स्तर "फिल्म" का निर्माण कर सकते हैं।
जेम्स क्रायन, स्लैक के एक वरिष्ठ वैज्ञानिक और टीएमओ साधन के प्रमुख, ने कहा, "यह उपकरण हमें सबसे मौलिक स्तर पर घटनाओं को समझने की अनुमति देता है, जैसे कि कैसे फोटोकैमिकल प्रक्रियाओं जैसी दृष्टि, सौर ऊर्जा रूपांतरण, और प्रकाश संश्लेषण सामने आते हैं, कैसे डीएनए ट्रांसफर ऊर्जा जब प्रकाश को अवशोषित करता है, और एक मौल के एक पक्ष से कैसे चलते हैं।"
यह सफलता तकनीक पूरी तरह से LCLS के उच्च - स्पीड पल्स आवृत्ति पर निर्भर करती है। एक एकल आणविक प्रतिक्रिया को पूरी तरह से कैप्चर करने के लिए, शोधकर्ताओं को लगभग एक मिलियन अलग -अलग कोणों से छवियां लेने की आवश्यकता है, जिसका अर्थ है कि लाखों x - किरण एक्सपोज़र। 2020 में, टीम ने क्षमता सत्यापन के लिए मौजूदा बीमलाइन पर एक प्रोटोटाइप बनाया। उन्होंने डेटा एकत्र करने में एक सप्ताह बिताया, लेकिन केवल आणविक फिल्म का एक एकल फ्रेम उत्पन्न कर सकते थे।
जेम्स क्रायन ने कहा, "मूल परिस्थितियों में, एक ही प्रतिक्रिया को पूरी तरह से हल करने में वर्षों लग सकते हैं। अब, अपग्रेड किए गए एलसीएलएस बीमलाइन पर ड्रीम के संचालन के साथ, हम इन प्रक्रियाओं को पूरी तरह से नए तरीके से देख सकते हैं। यह अपग्रेड एक मोड़ है, जो पहले असंभव शोध को वास्तविकता बनाता है।"
एलसीएलएस में डेटा संग्रह क्षमता में महत्वपूर्ण वृद्धि ने न केवल नए अनुसंधान विधियों को जन्म दिया है, बल्कि संस्थापक एआई मॉडल को प्रशिक्षण के लिए बड़े पैमाने पर डेटा भी उत्पन्न किया है। ये एआई मॉडल शोधकर्ताओं को नई सामग्रियों का पता लगाने और बीमलाइन समायोजन के दौरान ऑपरेटरों को समय सहायता प्रदान करने और वास्तविक - समय सहायता प्रदान करने के लिए अधिक कुशलता से डेटा एकत्र करने में मदद कर सकते हैं। मथायस क्लिंग, एलसीएलएस रिसर्च एंड डेवलपमेंट डायरेक्टर, ने कहा, "इस एआई तकनीक का गहरा एकीकरण निस्संदेह अनुसंधान परिदृश्य को फिर से आकार देगा और वैज्ञानिक खोज की गति में तेजी लाएगा।"
बढ़ाया प्रदर्शन और एक नए इंस्ट्रूमेंटेशन सिस्टम के साथ, LCLS - II अपग्रेड ने LCLS अनुसंधान के दायरे में काफी विस्तार किया है। शोधकर्ता वर्तमान में पहले प्रयोगों से डेटा का विश्लेषण कर रहे हैं और इस वर्ष अधिक प्रयोग करने की योजना बना रहे हैं। इन उन्नत सुविधाओं द्वारा सक्षम वैज्ञानिक खोजों से अपेक्षा की जाती है कि वे दुनिया को आकार देने वाली मौलिक प्रक्रियाओं की मानवता की समझ को और अधिक गहरा करें।
