Компактный х

Когда в 2009 году в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии открылся первый рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL), он предоставил новый способ взглянуть на мир атомного масштаба, раскрывая подробности биохимических процессов, таких как фотосинтез, и экзотических материалов, таких как как сверхпроводники. Но с тех пор в мире было построено всего четыре подобных объекта стоимостью в миллиард долларов, и найти на них время сложно.

Группа исследователей из Университета штата Аризона (ASU) в Темпе теперь планирует создать новый тип лазера на свободных электронах, значительно меньшего по размеру и более дешевого, чем все, что существовало раньше. В этом месяце ASU объявил, что приступит к реализации проекта компактного рентгеновского лазера на свободных электронах (CXFEL) стоимостью 170 миллионов долларов после получения гранта в 91 миллион долларов от Национального научного фонда. Благодаря такой конструкции машины станут доступны для университетских лабораторий и расширят их доступность.

«Это элегантная идея», — говорит Клаудио Пеллегрини, физик из SLAC, который впервые предложил свой XFEL в 1992 году. «Каждый хотел бы создать систему меньшего размера».

XFEL являются отличными зондами атомного мира, поскольку коротковолновые рентгеновские лучи могут разрешать детали, которые были бы невидимы для более длинноволнового света. Более того, короткие фемтосекундные рентгеновские импульсы работают как высокоскоростная камера, помогая исследователям фиксировать сверхбыстрые процессы, такие как движение электронов и атомов.

Чтобы достичь такого высочайшего пространственного и временного разрешения, стандартному XFEL требуется линейный ускоритель длиной в километр. Он разгоняет электроны до энергии 10 гигаэлектронвольт (ГэВ), или 99,9999995% скорости света. Затем электроны проходят через «ондуляторы» — серию магнитов, расположенных в переменной полярности. Электроны испускают рентгеновские лучи, покачиваясь в магнитных полях. Взаимодействия между светом и электронами заставляют электроны группироваться и излучать согласованно, как лазер.

Команда ASU планирует заменить громоздкие магнитные ондуляторы лазером, который будет светить прямо на приближающийся поезд электронов. «Лазер, как и все электромагнитные излучения, имеет связанное с ним магнитное поле», — говорит Билл Грейвс, физик АГУ и главный научный сотрудник CXFEL. «Когда электроны сталкиваются с лазером, они будут покачиваться так же, как в ондуляторе». Но там, где полярность ондуляторных полей меняется на несколько сантиметров, поле лазера колеблется вместе с длиной волны света — всего 1 микрометр.

Этот сверхвысокочастотный ондулятор означает, что электроны можно заставить покачиваться и испускать рентгеновские лучи при гораздо более низких энергиях. Их нужно только ускорить до 30 мегаэлектронвольт, что намного проще, чем 10 ГэВ, необходимые для стандартного XFEL. Это значительно уменьшает занимаемую площадь XFEL, снизив ее с 1 километра до всего 10 метров.

Используя электронный луч более низкой энергии, команда может использовать кристаллические дифракторы и магниты, чтобы точно сформировать структуру электронов в плотно упакованные сгустки. Сгруппированные электроны колеблются более синхронно друг с другом и в результате производят более когерентный рентгеновский свет. Группировка также приводит к получению более короткого импульса длительностью менее фемтосекунды.

Такие короткие импульсы потенциально могут раскрыть способ, которым молекулы хлорофилла захватывают солнечный свет во время фотосинтеза, говорит Петра Фромм, биохимик АГУ и член команды CXFEL. «Мы можем смотреть на вещи, которых никто раньше не видел».

Сэм Тейтельбаум, физик из АГУ, планирует использовать CXFEL в качестве чувствительного зонда поведения электронов в материалах, который может вызвать множество необъяснимых явлений, от высокотемпературной сверхпроводимости до экзотических магнитных состояний. Извлеченные уроки могут вдохновить на создание новых сверхпроводящих материалов или более надежных устройств хранения данных.

Хотя новое устройство будет иметь быстрые и когерентные импульсы, оно не будет иметь такой же мощности, как стандартный XFEL. Его импульсы гораздо менее яркие, а отдельные рентгеновские фотоны имеют более длинные волны, чем у его более крупных предшественников. Это означает, что CXFEL упустит некоторые мельчайшие детали, которые могут увидеть более крупные XFEL. С другой стороны, импульсы с более низкой энергией нанесут меньше повреждений образцам, которые обычно уничтожаются более крупными установками.