Νέα εποχή για την έρευνα αρχίζει με το πρώτο λέιζερ ακτίνων Χ

Πηγή: ScienceDaily, 23 Απριλίου 2009

Η πρώτη και η πιο λαμπρή πηγή ακτίνων Χ ξεκίνησε τη λειτουργία της στο Εργαστήριο SLAC την περασμένη εβδομάδα. Και είναι πολύ σπουδαίο που οι ακτίνες προέρχονται από ένα λέιζερ, που δουλεύει σε πολύ μικρά μήκη κύματος 0.15 νανόμετρα ή της περιοχής των ακτίνων-Χ. Η συσκευή ονομάζεται Linac Coherent Light Source ή LCLS και φτιάχτηκε εξολοκλήρου από φυσικούς του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντών SLAC της Καλιφόρνιας, το οποίο διαθέτει έναν επιταχυντή μήκους τριών χιλιομέτρων.

Όταν ολοκληρωθεί η ρύθμιση του, η συσκευή LCLS θα δώσει τους λαμπρότερους πιο βραχείς παλμούς ακτίνων Χ του κόσμου από λέιζερ για επιστημονική μελέτη. Θα είναι ένα πρωτοφανές επιστημονικό εργαλείο για τη μελέτη και την κατανόηση της διάταξης των ατόμων, σε υλικά όπως μέταλλα, ημιαγωγοί, κεραμικά, πολυμερή, καταλύτες, πλαστικά, καθώς και βιολογικά μόρια, με μεγάλες επιπτώσεις στην προηγμένη έρευνα για την ενέργεια και σε άλλους τομείς.

"Η ομάδα της LCLS ξεπέρασε πρωτοφανείς τεχνικές προκλήσεις για να το φτιάξουν αυτό, και το έργο της θα επιτρέψει πρωτοποριακή έρευνα σε διάφορους τομείς", δήλωσε ο διευθυντής του SLAC Persis Drell. Για ορισμένους κλάδους, αυτό το εργαλείο θα είναι το ίδιο σημαντικό για το μέλλον, όπως ήταν στο παρελθόν το μικροσκόπιο."

Ακόμη και σε αυτά τα αρχικά στάδια της λειτουργίας της, η συσκευή LCLS εκπέμπει ακτίνες-Χ πιο φωτεινές από κάθε άλλη πηγή σύντομων παλμών ακτίνων-Χ, που έφτιαξε ποτέ ο άνθρωπος. Οι αρχικές δοκιμές έδωσαν φως λέιζερ με μήκος κύματος των 1.5 Angstroms (0.15 nm), που είναι οι ακτίνες-Χ με το μικρότερο μήκος κύματος ή  με την υψηλότερη ενέργεια που δημιουργήθηκε ποτέ από κανένα λέιζερ. Για να δημιουργήσει αυτό τον άθλο η ομάδα είχε να ευθυγραμμίσει την δέσμη των ηλεκτρονίων με εξαιρετική ακρίβεια. Η δέσμη δεν μπορεί να παρεκκλίνει από την ευθεία γραμμή πάνω από 5 μικρόμετρα ανά 5 μέτρα, έναν εκπληκτικό άθλο της μηχανικής.

"Ήταν η πιο δύσκολη πηγή ακτίνων που φτιάχτηκε ποτέ", δήλωσε ο διευθυντής του πρότζεκτ John Galayda. "Βρίσκεται στα όρια μεταξύ του αδύνατον και του δυνατού, και μέσα σε δύο ώρες από την έναρξη της λειτουργίας τα παιδιά το είχαν στήσει."

Σε αντίθεση με τα συμβατικά λέιζερ, που χρησιμοποιούν κατοπτρικές κοιλότητες για να ενισχύσουν το φως, η LCLS είναι ένα λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων, που δημιουργεί φως με ελεύθερα ηλεκτρόνια στο κενό. Η LCLS χρησιμοποιεί το τελευταίο ένα τρίτο του γραμμικού επιταχυντή των δύο μιλίων του SLAC, για να αποκτήσουν τα ηλεκτρόνια υψηλή ενέργεια, και να τα κατευθύνει μέσω μιας σειράς από 'κυματοειδείς'  μαγνήτες που κατευθύνουν τα ηλεκτρόνια ταχύτατα μπρος και πίσω, δημιουργώντας έτσι μια λαμπρή δέσμη από συντονισμένες ακτίνες-Χ. Την τελευταία εβδομάδα οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μόνο 12 από τους συνολικά 33 κυματοειδείς μαγνήτες για τη δημιουργία του μηχανισμού του πρώτου φωτός του λέιζερ.

Το λέιζερ αυτό, με τους υπέρλαμπρους ταχύτατους παλμούς του, μπορεί να λειτουργήσει σαν κάμερα υψηλής ανάλυσης συλλαμβάνοντας εικόνες ατόμων και μορίων σε πραγματικό χρόνο. Ενώνοντας διαδοχικές τέτοιες εικόνες, οι επιστήμονες θα μπορούν πλέον να δημιουργούν «ταινίες» που θα απεικονίζουν τη συμπεριφορά των ατόμων και μορίων, με πρωτοφανείς χρονοκλίμακες.

Με συνεχή βελτίωση το λέιζερ θα είναι σε θέση, μεταξύ των άλλων, να καθορίζει τη δομή μιας πρωτεΐνης, καταστρέφοντας ένα και μόνο μόριο με την στοχευμένη ακτίνα του. Θα μπορεί ακόμα να συμπιέζει την ύλη σε υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, ώστε να προσομοιώνει τις συνθήκες στο κέντρο των πλανητών.

"Η ομάδα LCLS κατάλαβε ότι θα μπορούσε να φτιάξει ένα αξιόλογο εργαλείο για την επιστήμη με τη χρήση του γραμμικού επιταχυντή SLA, και την παρέδωσε με αξιοσημείωτη ταχύτητα και ακρίβεια. Η επιστήμη που θα προέρχεται από την LCLS θα είναι εκπληκτική, όπως και απρόσμενη, όπως ήταν η επιστήμη που προήλθε από το λέιζερ πριν από μερικές δεκαετίες. Δεν γνωρίζουμε ακόμη, τι θα αποκαλύψει για τον κόσμο γύρω μας. Όμως, είμαστε σίγουροι ότι τα νέα αποτελέσματα θα ενθουσιάσουν και θα ενεργοποιήσουν τις επιστημονικές κοινότητες που υπηρετούμε", λέει η επιστημονική διευθύντρια του Υπουργείου Ενέργειας Patricia Dehmer.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει πηγές τρομερά ισχυρών ακτίνων-Χ, οι οποίες εξαρτώνται από τα σύγχροτρα - κυκλικούς επιταχυντές σωματιδίων. Τα σωματίδια που κυκλοφορούν μέσα σε αυτές τις μηχανές, εκπέμπουν φωτόνια ακτίνων Χ. Όμως η νέα συσκευή LCLS, που κόστισε 420 εκατομμύρια δολάρια, μπορεί τελικά να παράγει ακτίνες ένα δισεκατομμύριο φορές πιο φωτεινές από τις προηγούμενες.

Η επιστημονική ομάδα του εργαστηρίου SLAC σχεδιάζει τα πρώτα πραγματικά επιστημονικά πειράματα με το νέο λέιζερ το Σεπτέμβριο του 2009. Στο μεταξύ, ερευνητές στη Γερμανία και την Ιαπωνία ήδη εργάζονται στην ανάπτυξη παρόμοιων λέιζερ ακτίνων Χ, καθώς ο συγκεκριμένος τομέας συγκεντρώνει αυξημένο ενδιαφέρον και έντονο επιστημονικό ανταγωνισμό.