세계에서 가장 강력한 X선 레이저는 전례 없는 세부사항으로 화학 반응을 “이미지화”합니다.

세계에서 가장 강력한 레이저로 발전한 엑스레이 레이저가 지난 9월 12일 첫 번째 빔을 발사했다. 레이저는 캘리포니아주 멘로파크에 위치해 있으며 최대 전력으로 작동할 때 초당 100만 개의 X선 펄스를 생성합니다. 과학자들은 화학 반응 중에 원자 주위를 이동하는 전하를 포함하여 초고속 공정의 고속 필름을 생성할 수 있게 해주는 LCLS-II라는 장치에 균열이 발생하게 되어 기쁘게 생각합니다. 이러한 연구는 광합성의 비밀을 밝히고 컴퓨팅 시스템을 위한 새로운 전자 재료를 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

유럽에서 X선 ​​레이저가 점화됨

SLAC 국립 가속기 연구소(National Accelerator Laboratory)에 보관된 11억 달러 규모의 LCLS(Linac Coherent Light Source)는 10년 넘게 개발되어 왔습니다. 이로 인해 장비의 반복률(주어진 시간에 발사되는 펄스 수)이 약 8,000배 증가했고, 레이저의 밝기는 평균 10,000배 증가했습니다. 이러한 변화를 통해 화학자와 생물학자는 이전에는 볼 수 없었던 취약성을 지닌 분자 필름을 만들 수 있으며 다른 도구에서는 볼 수 없는 희귀한 분자 현상의 내부를 살펴볼 수 있습니다.

캘리포니아주 버클리에 있는 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 분자생물물리학자 Junko Yano는 “우리는 10년 동안 준비해온 꿈의 실험을 수행할 수 있도록 LCLS-II를 기다리고 있습니다.”라고 말했습니다.

LCLS의 Mike Dunn 이사는 이 시설이 양자 재료 과학을 포함한 다양한 유형의 연구에 “완전히 새로운 가능성을 열어준다”고 말했습니다.

고속 과학

현재 LCLS-I로 불리는 최초의 LCLS는 2009년에 작동을 시작하여 고에너지 “경질” X선의 원자 스캔 기능과 레이저 속도를 결합한 세계 최초의 장비가 되었습니다. 이 장치에는 3km 길이의 입자 가속기가 있어 구리관을 통해 전자를 보냅니다. 그런 다음 전자는 두 세트의 자기 파동 중 하나로 펌핑되어 전자빔이 좌우로 진동하고 X선을 방출하게 됩니다. 한 그룹은 “경성” X선을 생성했고, 다른 그룹은 저에너지 “연성” X선을 생성했습니다. 캘리포니아 스탠포드 대학이 운영하고 미국 에너지부의 자금을 지원받는 SLAC가 LCLS-I를 구축했을 때 과학자들은 그것이 작동할 것이라고 완전히 확신하지 못했다고 Don은 말합니다. “미지의 세계로의 도약이었습니다.”

그러나 성공했습니다. 다른 국가들도 이를 따랐습니다. 한국, 일본, 스위스, 독일에서도 유사한 시스템이 구축되었습니다. 2017년에 사용자에게 공개된 독일 함부르크 근처의 유럽 X선 자유 전자 레이저(XFEL)의 과학 책임자인 사쿠라 파스카렐리(Sakura Pascarelli)는 “이것은 “원자 분해능을 갖춘 초고속 과학”을 수행하는 혁명이었다고 말합니다.

LCLS-I로의 업그레이드는 전자 가속기의 구리 튜브 일부를 극저온 냉각 니오븀 공동으로 대체했습니다. 약 2K의 온도에 도달하면 초전도체가 되므로 거의 0에 가까운 저항으로 전자를 지속적으로 전도할 수 있습니다. 이는 LCLS-II가 더 빠른 X선 펄스 속도를 달성하는 데 도움이 됩니다. 현재 장치의 과냉각 부분은 연X선만 방출합니다.

LCLS-II는 원래 2020년에 출시될 예정이었지만, 코로나19 대유행을 포함한 다양한 요인으로 인해 해당 일정이 변경되었다고 Dunn은 말했습니다. “이것은 완전히 새로운 기술입니다.”라고 그는 덧붙였습니다. 초전도 공동이 만들어진 일리노이주에서 전국으로 초전도 공동을 운반하는 방법을 알아내는 데에도 시간이 걸렸습니다.

점프 경쟁

화학자들과 생물학자들은 기대를 가지고 개선을 지켜보았습니다. Yano는 LCLS-I과 일본의 자유 X선 레이저를 사용하여 원자 수준에서 광계 II라고 불리는 단백질 복합체가 광합성 중에 물을 분해하고 산소를 생성하는 방법을 밝혔습니다. 그녀와 그녀의 공동 연구자들은 복합체 내 금속 원자의 주요 그룹에 초점을 맞추고 산소를 방출하기 전에 4가지 에너지 상태를 이동하면서 구조를 추적했습니다. 그들은 결과를 다음과 같이 설명했습니다. 자연 올해¹.

하지만 야노는 더 나아가고 싶어합니다. “구조를 아는 것이 한 가지입니다”라고 그녀는 말합니다. “우리는 또한 금속 주위에 전하가 어떻게 분포되어 있는지 알고 싶습니다.” 뿐만 아니라 복잡한 변화 주위를 뛰어다니는 전자의 “스핀”도 알고 싶습니다. 이는 팀이 광합성이 어떻게 발생하는지 이해하는 데 도움이 될 것이며, 예를 들어 태양 연료 생산 시스템에서 프로세스의 놀라운 효율성을 에뮬레이트하려는 연구자에게 도움이 될 수 있습니다. 이 실험에는 매우 빠른 연X선 펄스가 필요하므로 LCLS-II는 이 실험을 수행할 수 있는 유일한 시설이라고 Yano는 말했습니다. 그녀의 팀은 도구를 사용할 시간을 요청하는 제안서를 제출했습니다.

엑스레이 과학: 큰 총

Dunn은 LCLS-II의 X선 펄스도 매우 흥미롭다고 말합니다. 왜냐하면 그 강력한 힘으로 인해 과학자들은 더 희석된 화학 물질 및 생체 분자 샘플로 작업할 수 있기 때문입니다. 이것은 광화학을 공부하는 대학원생이 연구할 만큼 충분한 새로운 분자를 합성하는 데 몇 년간의 시간을 절약할 수 있습니다. 이를 통해 화학자들은 보다 현실적인 조건에서 반응 속도를 높이기 위해 미량으로 사용되는 유망한 촉매를 연구할 수 있습니다.

SLAC 팀은 이미 하드 X선 빔을 메가헤르츠 펄스 속도로 높이기 위한 다음 일련의 업그레이드를 계획하고 있습니다. 현재 유럽 XFEL은 초당 27,000펄스를 생성하는 가장 빠른 하드 X선 소스입니다. 또 다른

“저는 우리가 크게 도약할 것이라고 확신합니다.”라고 Don은 말합니다. 일반적으로 한 시설은 다른 시설이 업그레이드되어 더욱 강력해질 때까지 잠시 동안 기록을 유지한다고 Pascarelli는 말합니다. “우리는 서로 밀어붙인다.”

현재 SLAC 팀은 연구 발전을 위해 LCLS-II를 사용하도록 요청하는 전 세계 과학자들의 제안을 평가하면서 수년간의 작업을 축하하고 있습니다.