De afgelopen jaren is het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy heeft een nieuw hulpmiddel ontwikkeld om fysische en chemische processen met een uitstekende helderheid te visualiseren:een ultrasnelle "elektronencamera" die atoombewegingen in een breed scala aan materialen in realtime kan volgen. Vanaf deze week, het lab heeft deze tool beschikbaar gesteld aan onderzoekers over de hele wereld.

De tool is een instrument voor ultrasnelle elektronendiffractie (MeV-UED). Het gebruikt een straal van zeer energetische elektronen om materie te onderzoeken en is vooral nuttig voor het begrijpen van atomaire processen die plaatsvinden op tijdschalen van slechts ongeveer 100 femtoseconden, miljoenste van een miljardste van een seconde. Deze snelle snapshots geven volledig nieuwe inzichten in processen in natuur en techniek, gunstige toepassingen in de biologie, scheikunde, materiaalkunde en andere gebieden.

De eerste voorstelgestuurde experimentele run van het MeV-UED-instrument is gepland tot en met december van dit jaar en zal die krachtige elektronenstralen leveren aan 16 gebruikersgroepen van meer dan 30 instellingen. Experimenten zullen in eerste instantie gericht zijn op materiaalkunde en hot, dichte toestanden van materie.

MeV-UED vormt een aanvulling op de reeks toonaangevende methoden van het laboratorium voor studies van ultrasnelle wetenschap, inclusief SLAC's vlaggenschip röntgenlaser, de Linac coherente lichtbron (LCLS). Door gebruik te maken van de hele breedte van deze methoden, wetenschappers kunnen heel verschillende onderzoeken, maar even belangrijke aspecten van snelle processen.

"In reactie op een DOE-workshop over de toekomst van elektronenverstrooiing en diffractie in februari 2014, SLAC lanceerde een ultrasnel elektronendiffractie-initiatief met als doel een toonaangevend instrument te ontwikkelen waarvan de mogelijkheden die van LCLS zouden aanvullen, " zegt Xijie Wang, directeur van het MeV-UED-instrument. "Het beschikbaar stellen van onze geavanceerde techniek aan de brede wetenschappelijke gemeenschap en het ondersteunen van SLAC's programma in ultrasnelle wetenschap is een spannende mijlpaal voor ons."

Het MeV-UED-instrument is opgenomen in de LCLS-gebruikersfaciliteit, toe te voegen aan de experimentele stations die röntgenstralen gebruiken.

"Het tempo van vooruitgang bij het ontwikkelen en toepassen van dit nieuwe hulpmiddel voor ultrasnelle wetenschap is echt opmerkelijk, " zegt Mike Dunne, LCLS directeur. "We waren verheugd toen het Department of Energy's Office of Basic Energy Sciences de opname van MeV-UED in LCLS goedkeurde, het bieden van open toegang voor onderzoekers uit de hele VS en over de hele wereld tot deze opwindende nieuwe mogelijkheid."

Een katalysator voor ongeëvenaarde wetenschap

Wang en zijn team hebben de technologie sinds de start van het programma in 2014 geperfectioneerd. MeV-UED-onderzoek heeft geleid tot een aanzienlijk aantal high-impact publicaties die ontdekkingen in materialen voor zonnecellen en dataopslag beschrijven; zorgde voor ongekende films van moleculen die trillen en uiteenvallen; keek naar de stralingsschade in materialen voor kernfusiereactoren; en ontdekte exotische fluctuerende materiaaleigenschappen die zouden kunnen worden gebruikt in moleculaire schakelaars.

"In de afgelopen vier jaar we hebben aangetoond dat MeV-UED kan leiden tot een paradigmaverschuiving in ultrasnelle elektronendiffractie, gedeeltelijk vanwege zijn veelzijdigheid om een ​​breed scala aan vaste en gasvormige monsters te onderzoeken, Wang zegt. "De hoge energie van de elektronen, die uniek is voor ons instrument, heeft ultrasnelle elektronendiffractie getransformeerd van een kwalitatieve wetenschap naar een kwantitatieve wetenschap, en onze experimenten worden nu gebruikt om theoretische voorspellingen te valideren en nieuwe theoretische ontwikkelingen te stimuleren."

De nieuwste R&D van het team is gewijd aan het onderzoeken van wetenschap in vloeibare toestanden, de natuurlijke omgeving voor veel biochemische processen, dus wetenschappers zullen binnenkort in staat zijn om nog meer te weten te komen over enkele van de meest aangrijpende details van biologie en scheikunde.

Krachten bundelen om nieuwe wetenschappelijke grond in te slaan

Het volledige potentieel van het nieuwe instrument wordt nog duidelijker in combinatie met de röntgenlaser van het laboratorium.

Met LCLS, wetenschappers kunnen moleculaire veranderingen volgen die extreem snel plaatsvinden - binnen slechts enkele femtoseconden. Met MeV-UED, ze kunnen tijdens deze snelle reacties scherpe beelden van moleculen opgraven met een ongeëvenaarde atomaire resolutie. Beide - buitengewone resolutie in ruimte en tijd - helpen bij het ontwikkelen van een compleet beeld van snelle fundamentele processen.

Dit wordt geïllustreerd door twee studies van een chemische reactie, waarin ringvormige moleculen openbreken als reactie op licht - een proces dat een belangrijke rol speelt bij de aanmaak van vitamine D in ons lichaam. Een paar jaar geleden, onderzoekers maakten een moleculaire film met behulp van LCLS, die de allereerste glimp opleverde van de werking van de reactie. Een recentere studie, met behulp van MeV-UED, extra details in hoge resolutie toegevoegd.

"Samen, LCLS en MeV-UED vormen een one-stop röntgenfotonen- en elektronenfabriek met een symbiotische relatie, en ze beantwoorden aan de brede behoeften van onze wetenschappelijke gemeenschap, " zegt LCLS-wetenschapper Mike Minitti, die verantwoordelijk is voor de integratie van een op voorstellen gebaseerd selectieproces voor experimenten bij het MeV-UED-instrument, vergelijkbaar met het bestaande beoordelingsproces van de X-ray-faciliteit.

Verwelkom wetenschappers van over de hele wereld

Over de afgelopen jaren, terwijl Wang's team hun instrument van de grond af aan bouwde, enkele externe groepen werden uitgenodigd om onderzoeksprojecten uit te voeren met MeV-UED in samenwerking met het SLAC-team.

Nutsvoorzieningen, SLAC heeft de toegang tot het instrument voor vrijwel iedereen opengesteld. Onderzoekers kunnen voorstellen voor experimenten indienen, die vervolgens worden beoordeeld door een commissie van deskundigen, gerangschikt en, indien succesvol, tijd gegeven om het experiment uit te voeren. Op dezelfde manier behandelen LCLS en andere röntgenlichtbronnen de toegang tot hun instrumenten.

Hoewel gebruikers de komende maanden van over de hele wereld zullen komen, het eerste experiment aan het instrument wordt gedaan door een onderzoeker die al vanaf het begin betrokken is bij MeV-UED, het ontwerpen van monsterkamers voor vaste materialen. Alexander Reid, een stafwetenschapper bij LCLS en het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), verzamelt deze week gegevens.

"Het is enorm verheugend om het MeV-UED-systeem te zien, die begon met een can-do-houding en veel geleende onderdelen, uitgegroeid tot een echte krachtpatser voor wetenschappelijke ontdekkingen, ' zegt Reid.

Reid kijkt naar magnetische fenomenen op nanoschaal in materialen als ijzer-platina, een nieuw maar complex materiaal dat relevant is voor cloudgebaseerd gegevensgeheugen en de efficiëntie en betrouwbaarheid van gegevensopslag zou kunnen verbeteren. Maar voordat het materiaal op grote schaal kan worden gebruikt, onderzoekers moeten eerst het fundamentele magnetische gedrag begrijpen.

"Met LCLS, we kunnen een zeer goede meting krijgen van hoe magnetisme verandert op zeer snelle tijdschalen. Met UED, we kunnen kijken naar de atomaire structuur van het materiaal en hoe het reageert op het veranderende magnetisme, "zegt Reid. "Door deze twee metingen samen te voegen, krijg je een volledig beeld van wat het hele systeem doet."