کریستوفر مک فادن – 31 دسامبر 2021
دانشمندان آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC وزارت انرژی آمریکا در حال انجام کارهای نهایی بر روی لیزری هستند که درخشان ترین لیزر جهان خواهد شد. این لیزر که Linac Coherent Light Source (LCLS-II) نامیده می شود، پس از عملیاتی شدن، 10000 برابر درخشان تر از درخشان ترین لیزر قبلی خود خواهد بود.
در حال حاضر، در حدود 30 فوت (9 متر) زیر زمین در نزدیکی دانشگاه استنفورد، این لیزر در حال ساخت است که به فیزیکدانان کمک می کند تا برخی از ناشناخته های اساسی جهان ما را باز کنند. دستگاه لیزر برای حدود 2 مایل (3.2 کیلومتر) در یک تونل حفاری ویژه گسترش می یابد.
سلف آن، Linac Coherent Light Source I (LCLS-I) در سال 2009 فعال شد و قادر به ایجاد پرتویی با 120 پالس نور در ثانیه است. با این حال، LCLS-II این رکورد را با توانایی تولید 1 میلیون پالس در ثانیه شکست می دهد.
دکتر جیمز کریان، دانشمند ، از جمله کارکنان SLAC در یک تور انحصاری از تاسیسات جدید به CNET گفت: “من فکر می کنم کاملا منصفانه است که بگوییم LCLS-II دوره جدیدی از علم را آغاز خواهد کرد.”
لیزر جدید “قادر به ایجاد پالس هایی تا زیر یک فمتوثانیه است.. این توانایی ضربان بسیار سریع ، دانشمندان را قادر می سازد تا آزمایشاتی را انجام دهند که تا به حال تصور نمی شد.
برای این منظور، LCLS-II کمی شبیه یک میکروسکوپ اما با وضوح در سطح اتمی عمل می کند. در قلب دستگاه یک شتاب دهنده ذرات قدرتمند وجود دارد که ذرات باردار را سرعت می بخشد و آنها را به یک پرتو بسیار قدرتمند هدایت می کند.
این پرتو سپس از طریق یک سری آهنرباهای متناوب (به نام موج ساز) می گذرد تا اشعه ایکس تولید کند. دانشمندان می توانند از آن اشعه ایکس برای ایجاد آنچه که آنها را “فیلم های مولکولی” می نامند استفاده کنند. می‌توانید اینها را به‌عنوان عکس‌های فوری از اتم‌ها یا مولکول‌ها در حال حرکت در نظر بگیرید که هر «تصویر» را در چند کوادریلیونم ثانیه ثبت می‌کنند و مانند یک فیلم به هم متصل می‌شوند.
سلف لیزر جدید، اگرچه در گرفتن این عکس‌های فوری کندتر بود، اما دانشمندان از سراسر جهان را قادر ساخت تا اکتشافات بسیار جالب و مهمی را در گذشته انجام دهند. این شامل مواردی مانند مشاهده واکنش‌های شیمیایی در زمان وقوع، نشان دادن رفتار اتم‌ها در داخل ستاره‌ها، و تولید عکس‌های فوری زنده است که جزئیات فرآیند فتوسنتز را نشان می‌دهد. به گفته اندرو بوریل، مدیر آزمایشگاه SLAC، توانایی گرفتن تصاویر در فواصل فمتوثانیه با لیزر جدید، یک تغییر دهنده بازی بسیار واقعی خواهد بود.
او می گوید: “اگر به نوری بارق فکر کنید که 120 بار خاموش شود، یک تصویر می بینید. اگر در یک ثانیه میلیون ها بار خاموش شود، تصویر بسیار متفاوتی دریافت می کنید. بنابراین می توانید فیلم بسیار بهتری بسازید.”
سرعتی که LCLS-II قادر به گرفتن عکس های فوری است تنها تفاوت بین لیزر جدید و نسل قبلی آن نیست.در حالی که هر دو دستگاه الکترون‌ها را تقریباً به سرعت نور شتاب می‌دهند، هر کدام به روشی متفاوت این کار را انجام می‌دهند. برای مثال، LCLS-I، الکترون‌ها را در دمای اتاق به سمت لوله‌های مسی هل می‌دهد. این برای انفجارهای کوتاه خوب است، اما برای عملکرد مداوم ایده آل نیست.
این جا جایی است که لیزر جدید خودش را پیدا می کند. عملکرد مداوم از نوع مورد نیاز برای LCLS-II گرمای زیادی تولید می کند. حفره‌های مسی معمولی، همانطور که در LCLS-I استفاده می‌شود، مقدار زیادی از این گرما را از بین می‌برد، بنابراین مهندسان به یک شتابدهنده ابررسانا جدید روی آوردند.
این ماده جدید شامل ده ها دستگاه به طول 40 فوت (12 متر) به نام cryomodules است که برای کار در دو درجه بالاتر از صفر مطلق طراحی شده است. آنها توسط یک کارخانه عظیم برودتی در بالای زمین در دمای عملیاتی نگهداری می شوند.
به گفته کریان، تمام این کیت به دانشمندان SLAC این امکان را می دهد که به سؤالات اساسی مانند “انتقال انرژی در داخل سیستم های مولکولی چگونه اتفاق می افتد؟ انتقال بار چگونه اتفاق می افتد؟” پاسخ دهند.
او ادامه می دهد: زمانی که برخی از این اصول را فهمیدیم، می توانیم شروع به استفاده از آنها کنیم تا بفهمیم چگونه می توانیم فتوسنتز مصنوعی انجام دهیم، چگونه می توانیم سلول های خورشیدی بهتر بسازیم.
دانشمندان SLAC امیدوارند که بتوانند لیزر جدید را در سال جدید روشن کنند و امیدوارند اولین اشعه ایکس را در تابستان تولید کنند. جالب است که ببینیم LCLS-II در سال 2022 و پس از آن از چه رازهایی از جهان رونمایی خواهد کرد. https://interestingengineering.com
