Найсильніший рентгенівський лазер у світі пройде удосконалення: чому це має велике значення для розвитку нових технологій.

Дослідники отримають можливість проводити більш глибокий аналіз хімічних сполук і атомів завдяки найпотужнішому лазеру свого роду, який коли-небудь існував.

Міністерство енергетики США дало добро на модернізацію найпотужнішого рентгенівського лазера на вільних електронах під назвою Linac Coherent Light Source (LCLS). Вона розташована під землею в Національній прискорювальній лабораторії SLAC, штату Каліфорнія. Після поліпшення лазера вчені зможуть вивчити секрети найдрібніших частинок більш детально, ніж будь-коли, пише Live Science.

Вчені використовують LCLS для вивчення будівельних блоків Всесвіту, опромінюючи атоми, наноструктури і молекули рентгенівськими променями. Це дає їм змогу аналізувати атомні процеси, які керують тим, як працює світ. Такі лазери на вільних електронах виробляють яскраве світло в неймовірно широкому діапазоні довжин хвиль, з променями, які набагато яскравіші, ніж у інших лазерів.

LCSC функціонує, розганяючи електрони до швидкостей, що наближаються до швидкості світла, а потім фокусуючи їх за допомогою потужних магнітів. У результаті цього процесу утворюються фотони — частинки світла, які формують інтенсивний, яскравий промінь, здатний висвітлити навіть найменші елементи.

LCLS знаходиться в підземному тунелі, що простягається на 3,2 км. Лазер, який почали експлуатувати в 2009 році, зазнав оновлення у 2023 році. Цю модернізацію назвали LCLS-II. Завдяки цим змінам яскравість лазерного променя зросла в 10 000 разів.

Завдяки найпотужнішому рентгенівському лазеру, який існує на планеті, науковці вперше змогли спостерігати процес формування хімічних зв'язків. У минулому році їм вдалося в режимі реального часу зафіксувати ключові етапи фотосинтезу. Застосування цього лазера для вивчення атомного світу відкриває нові горизонти в розумінні різноманітних явищ, починаючи від хімічних реакцій і закінчуючи збереженням енергії в інноваційних сонячних панелях.

У рамках минулої модернізації було додано новий прискорювач, що дало змогу збільшити швидкість електронів усередині лазера, а для цього було встановлено кріомодулі, за допомогою яких охолоджується шлях проходження частинок майже до абсолютного нуля або мінус 271 градус Цельсія. А це холодніше, ніж у глибокому космосі. Усередині кожного кріомодуля знаходяться радіочастотні порожнини, які після охолодження до неймовірно низьких температур діють як надпровідники для посилення вихідної енергії лазерного променя.

Нова модернізація лазера отримала назву LCLS-II-HE і вона повинна збільшити в 2 рази енергію, що виробляється пучком вільних електронів LCLS-II. Отже, яскравість лазерного променя зросте в 3 000 разів. Для цього буде потрібно встановити додаткові кріомодулі для підтримки наднизьких температур.

Науковці отримають можливість візуалізувати динаміку матеріалів, хімічних структур та біологічних комплексів на атомному рівні, що допоможе вирішити ряд критично важливих питань, які постають перед нашим суспільством.

Модернізація лазера обійдеться в 716 мільйонів доларів і значно розширить наукові можливості Національної прискорювальної лабораторії SLAC. Очікується, що модернізація лазера буде завершена до 2030 року, хоча вчені сподіваються провести випробування набагато раніше, щоб продемонструвати весь потенціал лазера.

LCLS використовують для вивчення оптимальних структур для нанотехнологій і наноматеріалів, які, за словами вчених, можуть зіграти важливу роль у поліпшенні технологій відновлюваної енергії та щільності енергії батарей. Також лазер допомагає розширити розуміння біологічних процесів у наномасштабі, що допомагає у створенні більш ефективних ліків.