Acceleratorexperts van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy ontwikkelen manieren om de krachtigste röntgenlaser beter dan ooit te maken. Ze hebben 's werelds kortste röntgenpulsen gecreëerd voor het vastleggen van de bewegingen van elektronen, evenals ultrahogesnelheidstreinen van röntgenpulsen voor het "filmen" van atomaire bewegingen, en hebben "slimme" computerprogramma's ontwikkeld die kostbare experimentele tijd maximaliseren.

Met zijn röntgenstralen die een miljard keer helderder zijn dan voorheen, SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) heeft al een revolutie teweeggebracht op het gebied van ultrasnelle wetenschap en heeft nieuwe wegen geopend voor onderzoek in de chemie, biologie en materiaalkunde. De nieuwe ontwikkelingen vergroten de mogelijkheden van de röntgenlaser nog verder.

"Het creëren van nieuwe mogelijkheden voor LCLS is een zeer belangrijke voortdurende inspanning bij SLAC, " zei Axel Brachmann, hoofd van de afdeling Linac en FEL van het directoraat Accelerator van het laboratorium, tijdens de SSRL/LCLS-gebruikersvergadering 2017 in september, waar enkele van deze ontwikkelingen werden gepresenteerd. "Onze ingenieurs en wetenschappers werken er hard aan om de grenzen van wat technologisch mogelijk is te verleggen en ervoor te zorgen dat SLAC een wereldleider blijft op het gebied van röntgenwetenschap."

De ontdekkingskracht van LCLS is verpakt in extreem heldere flitsen van röntgenlicht, elk duurt slechts enkele femtoseconden - miljoenste van een miljardste van een seconde. Als een stroboscooplamp die bewegingen bevriest die te snel zijn om met het blote oog te kunnen zien, deze flitsen leggen beelden vast van atoomkernen die snel heen en weer bewegen in moleculen en materialen. Maar onderzoekers willen nog verder gaan en de nog snellere bewegingen van de elektronen van een atoom filmen.

"Deze ultrasnelle bewegingen zijn erg fundamenteel omdat ze het toneel vormen voor alle langzamere processen, ", zegt stafwetenschapper Yuantao Ding. "Echter, ze komen voor in minder dan een femtoseconde, en we hebben een snellere 'camera' nodig om ze vast te leggen."

Twee SLAC-teams, onder leiding van Ding en collega-versnellerfysicus Agostino Marinelli, hebben nu een belangrijke stap in die richting gezet. Ze demonstreerden twee onafhankelijke methoden voor het genereren van röntgenpulsen van enkele honderden attoseconden, of miljardsten van een miljardste van een seconde, het vestigen van een record voor röntgenlasers.

Beide groepen manipuleerden de dicht opeengepakte bundels elektronen die door een speciale set magneten vliegen, een undulator genoemd, om LCLS-röntgenpulsen te genereren. Ze hebben de bundels aangepast, zodat slechts een deel van elke bundel röntgenlaserlicht uitzond, wat resulteerde in een veel kortere pulslengte.

"Dit is een grote stap voorwaarts, en gebruikt in feite relatief eenvoudige methoden voor het genereren van attoseconde pulsen van röntgenstralen met relatief hoge energie, " zegt Marinelli. "Om dit nog verder te brengen, LCLS-gebruikers willen zachtere röntgenstralen gebruiken om de buitenste elektronen van een atoom te bestuderen, welke betrokken zijn bij chemische reacties. Het blijkt dat het maken van zachte röntgenstraal-attoseconde-pulsen een veel complexer proces is."

Daarom werken Marinelli en anderen aan een derde methode, X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulses (XLEAP) genoemd. Bij deze benadering interageren de elektronenbundels met een infraroodlaser in de undulator en worden ze in dunne plakjes gesneden. Simulaties suggereren dat deze methode, die momenteel wordt getest bij LCLS, kan zachte röntgenpulsen produceren die slechts 500 attoseconden lang zijn.

Nieuwe manieren om atomen te filmen met meerdere röntgenflitsen

Om filmpjes te maken van ultrasnelle processen bij LCLS, onderzoekers gebruiken de pomp-sonde-techniek, waarin ze een monster raken met een "pomp" -puls van een conventionele laser om een ​​atomaire respons te veroorzaken en vervolgens de respons onderzoeken met een "sonde" -puls van de röntgenlaser. Door de hoeveelheid tijd tussen de twee pulsen te variëren, ze kunnen een stop-actiefilm maken die laat zien hoe de atomaire structuur van het monster in de loop van de tijd verandert.

Dit werkt goed zolang het proces, zoals het verbreken van een chemische binding in een molecuul, kan worden gestart met een conventionele laser die zichtbaar, infrarood of ultraviolet licht. Echter, sommige reacties kunnen alleen worden veroorzaakt door de hogere energieën van röntgenlichtpulsen.

In principe, deze experimenten zouden nu bij LCLS kunnen worden gedaan, maar de tijd tussen pulsen zou studies beperken tot processen die langzamer zijn dan 8 milliseconden. Zelfs met de toekomstige LCLS-II-upgrade, die tot een miljoen pulsen per seconde zal "afvuren", deze limiet zou nog steeds een microseconde zijn. Daarom, versnellerfysici vinden methoden uit die ultrahogesnelheidstreinen van röntgenflitsen genereren voor de verkenning van veel snellere processen.

"SLAC test en implementeert een aantal multi-pulse-technieken voor röntgenpomp-sonde-experimenten met zachte en harde röntgenstralen, zoals de split-undulator, tweeling, schema's voor verse plakjes en twee emmers, ", zegt stafwetenschapper Alberto Lutman. "Samen dekken ze een breed scala aan zeer korte pulsvertragingen - van nulvertraging, wat betekent dat de pomp- en sonde-röntgenpulsen het monster tegelijkertijd raken, tot vertragingen van slechts enkele femtoseconden, en dan helemaal tot meer dan 100 nanoseconden tussen pulsen."

Lutman loopt voorop in de ontwikkeling van de verse-slicetechniek, waarin het hoofd, staart en midden van een enkele elektronenbundel kunnen afzonderlijke röntgenpulsen produceren in afzonderlijke secties van de undulator. "Dit is een uiterst flexibele methode, "zegt hij. "Het laat ons de vertraging tussen de pulsen fijn variëren, en het stelt ons ook in staat om de kleur en polarisatie van elke röntgenpuls afzonderlijk aan te passen."

Experimenten met pulsen van meerdere kleuren, of röntgenstralingsenergieën, kan, bijvoorbeeld, details verbeteren in studies van de 3D-atomaire structuren en functies van moleculen, zoals medisch belangrijke eiwitten. De verse-slice-methode heeft ook het potentieel om de kracht van extreem korte röntgenpulsen te vergroten, en het is gebruikt in seeding-technieken die de prestaties van de röntgenlaser verbeteren door het licht minder luidruchtig te maken.

De meeste multipulsmethoden zijn aangetoond voor snelle opeenvolgingen van twee of drie röntgenflitsen, maar het gebruik van nog meer pulsen ligt in het verschiet. Een team onder leiding van versnellerfysicus Franz-Josef Decker werkt momenteel aan een techniek die meerdere laserpulsen gebruikt voor het genereren van treinen van maximaal acht röntgenpulsen. Dit zou onderzoekers in staat stellen de complexe evolutie te volgen van hoe een materiaal reageert op schokken onder hoge druk, bijvoorbeeld in de studie van meteorietbotsingen.

'Slimme' besturing van een complexe ontdekkingsmachine

De basis van al het bovenstaande onderzoek is de noodzaak om nieuwe manieren te vinden om LCLS op de meest efficiënte manier uit te voeren, zodat meer experimenten kunnen worden uitgevoerd. De faciliteit is een van de slechts vijf harde röntgenlasers ter wereld, en de toegang ertoe is uiterst concurrerend. Een manier om de hoeveelheid experimentele tijd te vergroten, is om de tijd die wordt besteed aan het afstemmen van de machine om aan de behoeften van specifieke experimenten te voldoen, tot een minimum te beperken.

"Elk jaar besteden we vele uren aan het optimaliseren van de machine, waarbij een groot aantal LCLS-magneten moeizaam worden afgesteld, ", zegt SLAC-stafwetenschapper Daniel Ratner. "We willen deze procedure automatiseren om tijd vrij te maken voor de activiteiten die daadwerkelijk menselijke betrokkenheid vereisen."

Tot ongeveer een jaar geleden, hij zegt, alle fine-tuning werd handmatig gedaan. Nu gebeurt het met behulp van computers, waardoor de optimalisatietijd al is gehalveerd. Maar de acceleratorexperts van het lab willen automatisering naar een hoger niveau tillen door gebruik te maken van een soort kunstmatige intelligentie die bekend staat als 'machine learning' - een benadering waarbij 'slimme' computerprogramma's leren van eerdere röntgenlaseroptimalisaties in plaats van elke keer dezelfde routine te herhalen. tijd.

"Dit zal leiden tot aanzienlijke extra tijdwinst, " zegt versnellerfysicus Joseph Duris, die het machine learning-initiatief van SLAC's Accelerator Directorate leidt. "Slimmere optimalisatie-algoritmen zullen ons ook helpen om volledig nieuwe LCLS-configuraties te verkennen om ons voor te bereiden op toekomstige experimenten."

Tenslotte, machine learning zal het lab helpen om twee complexe röntgenlasers efficiënt naast elkaar te laten werken wanneer de LCLS-II-upgrade is voltooid.