Os especialistas em aceleradores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia estão desenvolvendo maneiras de tornar o laser de raios X mais potente melhor do que nunca. Eles criaram os pulsos de raios-X mais curtos do mundo para capturar os movimentos dos elétrons, bem como trens de ultra-alta velocidade de pulsos de raios-X para "filmar" o movimento atômico, e desenvolveram programas de computador "inteligentes" que maximizam o precioso tempo experimental.

Com seus raios X um bilhão de vezes mais brilhantes do que os disponíveis antes, A Linac Coherent Light Source (LCLS) da SLAC já revolucionou o campo da ciência ultrarrápida e abriu novos caminhos para a pesquisa em química, biologia e ciência dos materiais. Os novos desenvolvimentos aumentam ainda mais as capacidades do laser de raios-X.

"Criar novos recursos para LCLS é um esforço contínuo muito importante no SLAC, "disse Axel Brachmann, chefe da Divisão Linac e FEL da Diretoria de Aceleradores do laboratório, na reunião de usuários SSRL / LCLS de 2017 em setembro, onde alguns desses desenvolvimentos foram apresentados. "Nossos engenheiros e cientistas estão trabalhando duro para empurrar os limites do que é tecnologicamente possível e para garantir que o SLAC continue sendo um líder mundial em ciência de raios-X."

O poder de descoberta do LCLS é embalado em flashes extremamente brilhantes de luz de raios-X, cada um durando apenas alguns femtossegundos - milionésimos de um bilionésimo de segundo. Como uma luz estroboscópica que congela os movimentos rápido demais para ver a olho nu, esses flashes capturam imagens de núcleos atômicos movendo-se rapidamente em moléculas e materiais. Mas os pesquisadores gostariam de ir mais longe e filmar os movimentos ainda mais rápidos dos elétrons de um átomo.

"Esses movimentos ultrarrápidos são fundamentais porque definem o terreno para todos os processos mais lentos, "diz o cientista Yuantao Ding." No entanto, eles ocorrem em menos de um femtossegundo, e precisamos de uma 'câmera' mais rápida para capturá-los. "

Duas equipes SLAC, liderado por Ding e seu colega físico acelerador Agostino Marinelli, já deram um passo importante nessa direção. Eles demonstraram dois métodos independentes para a geração de pulsos de raios-X de algumas centenas de attossegundos, ou bilionésimos de um bilionésimo de segundo, estabelecendo um recorde para lasers de raios-X.

Ambos os grupos manipularam os feixes compactos de elétrons que voam através de um conjunto especial de ímãs, chamado de ondulador, para gerar pulsos de raios-X LCLS. Eles ajustaram os cachos para que apenas parte de cada grupo emitisse raios-X de laser - resultando em um pulso muito menor.

"Este é um grande passo em frente, e realmente usa métodos relativamente simples de geração de pulsos de attossegundos de raios-X com energia relativamente alta, "Marinelli diz." Para levar isso ainda mais longe, Os usuários de LCLS desejam usar raios-X mais suaves para permitir que estudem os elétrons externos de um átomo, quais são os envolvidos nas reações químicas. Acontece que a criação de pulsos de attossegundos de raios X suaves é um processo muito mais complexo. "

É por isso que Marinelli e outros estão trabalhando em um terceiro método, denominado Pulsos de Atossegundos Intensificados por Laser de Raios-X (XLEAP). Nesta abordagem, os feixes de elétrons interagem com um laser infravermelho dentro do ondulador e são cortados em fatias finas. Simulações sugerem que este método, que está sendo testado no LCLS, pode produzir pulsos suaves de raios-X com apenas 500 attossegundos de duração.

Novas maneiras de filmar átomos com vários flashes de raio-X

Para fazer filmes de processos ultrarrápidos no LCLS, pesquisadores usam a técnica da sonda de bomba, em que eles atingem uma amostra com um pulso de "bomba" de um laser convencional para desencadear uma resposta atômica e, em seguida, examinam a resposta com um pulso de "sonda" do laser de raios-X. Variando a quantidade de tempo entre os dois pulsos, eles podem criar um filme de ação paralela que mostra como a estrutura atômica da amostra muda ao longo do tempo.

Isso funciona bem enquanto o processo, como a quebra de uma ligação química em uma molécula, pode ser iniciado com uma emissão de laser convencional visível, luz infravermelha ou ultravioleta. Contudo, algumas reações só podem ser desencadeadas pelas energias mais altas dos pulsos de luz de raios-X.

Em princípio, esses experimentos podem ser feitos no LCLS agora, mas o tempo entre os pulsos limitaria os estudos a processos mais lentos do que 8 milissegundos. Mesmo com a futura atualização do LCLS-II, que vai "disparar" até um milhão de pulsos por segundo, esse limite ainda seria um microssegundo. Portanto, físicos de aceleradores estão inventando métodos que geram trens de ultra-alta velocidade de flashes de raios-X para a exploração de processos muito mais rápidos.

"O SLAC está testando e implementando uma série de técnicas multipulso para experimentos de bomba de sonda de raios-X com raios-X suaves e duros, como o ondulador dividido, bando de gêmeos, esquemas de fatias frescas e dois baldes, "diz o cientista Alberto Lutman." Juntos, eles cobrem uma ampla gama de atrasos de pulso muito curtos - de atraso zero, o que significa que os pulsos de raios-X da bomba e da sonda atingem a amostra ao mesmo tempo, para atrasos de apenas alguns femtossegundos, e então até mais de 100 nanossegundos entre os pulsos. "

Lutman está liderando o desenvolvimento da técnica de fatias frescas, em que a cabeça, a cauda e o centro de um único feixe de elétrons podem produzir pulsos de raios-X separados em seções separadas do ondulador. "Este é um método extremamente flexível, "ele diz." Isso nos permite variar finamente o atraso entre os pulsos, e também nos permite ajustar a cor e a polarização de cada pulso de raios-X individualmente. "

Experimentos com pulsos de cores múltiplas, ou energias de raios-X, posso, por exemplo, aprimorar detalhes em estudos das estruturas atômicas 3-D e funções das moléculas, como proteínas medicamente importantes. O método de fatia fresca também tem o potencial de aumentar a potência de pulsos de raios-X extremamente curtos, e tem sido usado em técnicas de semeadura que melhoram o desempenho do laser de raios-X, tornando sua luz menos ruidosa.

A maioria dos métodos multipulso foi demonstrada para sequências rápidas de dois ou três flashes de raios-X, mas o uso de ainda mais pulsos está no horizonte. Uma equipe liderada pelo físico acelerador Franz-Josef Decker está trabalhando atualmente em uma técnica que usa múltiplos pulsos de laser para a geração de trens de até oito pulsos de raios-X. Isso permitiria aos pesquisadores acompanhar a evolução complexa de como um material responde a choques de alta pressão, por exemplo, no estudo de colisões de meteoritos.

Controle 'inteligente' de uma máquina de descoberta complexa

A base de todas as pesquisas acima é a necessidade de encontrar novas maneiras de executar o LCLS da maneira mais eficiente, para que mais experimentos possam ser acomodados. A instalação é uma de apenas cinco lasers de raios-X rígidos em operação no mundo, e o acesso a ele é extremamente competitivo. Um caminho para aumentar a quantidade de tempo experimental é minimizar o tempo gasto no ajuste da máquina para atender às necessidades de experimentos específicos.

"Todos os anos, passamos muitas horas otimizando a máquina, que envolve ajustes tediosos de um grande número de ímãs LCLS, "diz o cientista da equipe do SLAC Daniel Ratner." Queremos automatizar esse procedimento para liberar tempo para as atividades que realmente requerem o envolvimento humano. "

Até cerca de um ano atrás, ele diz, todo o ajuste fino foi feito manualmente. Agora é feito com a ajuda de computadores, o que já reduziu o tempo de otimização pela metade. Mas os especialistas em aceleração do laboratório querem levar a automação para o próximo nível usando um tipo de inteligência artificial conhecido como "aprendizado de máquina" - uma abordagem em que programas de computador "inteligentes" aprendem com otimizações anteriores de laser de raios-X em vez de repetir a mesma rotina a cada Tempo.

"Isso levará a uma economia de tempo adicional significativa, "diz o físico acelerador Joseph Duris, que lidera a iniciativa de aprendizado de máquina da Diretoria de Aceleradores do SLAC. "Algoritmos de otimização mais inteligentes também nos ajudarão a explorar configurações LCLS completamente novas para nos prepararmos para experimentos futuros."

Por último mas não menos importante, o aprendizado de máquina ajudará o laboratório a operar com eficiência dois complexos lasers de raios-X lado a lado quando a atualização do LCLS-II for concluída.