Ao longo dos últimos anos, o Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia desenvolveu uma nova ferramenta para visualizar processos físicos e químicos com clareza excepcional:uma "câmera de elétrons" de ultra-alta velocidade capaz de rastrear movimentos atômicos em uma ampla gama de materiais em tempo real. A partir desta semana, o laboratório disponibilizou essa ferramenta para pesquisadores em todo o mundo.

A ferramenta é um instrumento para difração ultrarrápida de elétrons (MeV-UED). Ele usa um feixe de elétrons altamente energéticos para sondar a matéria e é especialmente útil para a compreensão de processos atômicos que ocorrem em escalas de tempo tão curtas quanto cerca de 100 femtossegundos, milionésimos de um bilionésimo de segundo. Esses instantâneos rápidos fornecem insights completamente novos sobre os processos da natureza e da tecnologia, beneficiando aplicações em biologia, química, ciência dos materiais e outros campos.

A primeira execução experimental baseada em propostas do instrumento MeV-UED está agendada para dezembro deste ano e entregará esses poderosos feixes de elétrons a 16 grupos de usuários de mais de 30 instituições. Os experimentos se concentrarão inicialmente na ciência dos materiais e quente, estados densos da matéria.

O MeV-UED complementa o conjunto do laboratório de métodos líderes mundiais para estudos de ciência ultrarrápida, incluindo o principal laser de raios-X da SLAC, a fonte de luz coerente Linac (LCLS). Utilizando toda a amplitude desses métodos, os cientistas podem explorar muito diferentes, ainda aspectos igualmente importantes de processos rápidos.

"Em resposta a um workshop do DOE sobre o futuro do espalhamento e difração de elétrons em fevereiro de 2014, SLAC lançou uma iniciativa de difração de elétrons ultrarrápida com o objetivo de desenvolver um instrumento líder mundial cujas capacidades complementariam as de LCLS, "diz Xijie Wang, diretor do instrumento MeV-UED. "Disponibilizar nossa técnica de ponta para a ampla comunidade científica e apoiar o programa do SLAC em ciência ultrarrápida é um marco emocionante para nós."

O instrumento MeV-UED foi incorporado às instalações do usuário LCLS, somando às estações experimentais que usam raios-X.

"O ritmo do progresso no desenvolvimento e aplicação desta nova ferramenta para ciência ultrarrápida tem sido realmente notável, "diz Mike Dunne, Diretor LCLS. "Ficamos muito satisfeitos quando o Escritório de Ciências Básicas da Energia do Departamento de Energia aprovou a incorporação do MeV-UED no LCLS, fornecendo acesso aberto para pesquisadores dos Estados Unidos e de todo o mundo a esta nova e empolgante capacidade. "

Um catalisador para ciência incomparável

Wang e sua equipe têm aperfeiçoado a tecnologia desde o início do programa em 2014. Ao longo do caminho, A pesquisa MeV-UED levou a um número considerável de publicações de alto impacto que descrevem descobertas em materiais para células solares e armazenamento de dados; forneceu filmes sem precedentes de moléculas vibrando e se separando; olhou para os danos de radiação em materiais para reatores de fusão nuclear; e descobriu propriedades de materiais flutuantes exóticos que poderiam ser usados ​​em interruptores moleculares.

"Nos últimos quatro anos, demonstramos que o MeV-UED pode levar a uma mudança de paradigma na difração de elétrons ultrarrápida, em parte devido à sua versatilidade para sondar uma ampla gama de amostras sólidas e gasosas, "Diz Wang." A alta energia dos elétrons, que é exclusivo do nosso instrumento, transformou a difração ultrarrápida de elétrons de uma ciência qualitativa para uma quantitativa, e nossos experimentos são agora empregados para validar previsões teóricas e impulsionar novos desenvolvimentos teóricos. "

O último P&D da equipe é dedicado a explorar a ciência em estados líquidos, o ambiente natural para muitos processos bioquímicos, portanto, os cientistas em breve poderão se concentrar ainda mais em alguns dos detalhes mais emocionantes da biologia e da química.

Unindo forças para abrir novos caminhos científicos

O potencial total do novo instrumento fica ainda mais claro quando combinado com o laser de raios-X do laboratório.

Com LCLS, os cientistas podem rastrear mudanças moleculares que ocorrem com extrema rapidez - em apenas alguns femtossegundos. Com MeV-UED, eles podem descobrir imagens nítidas de moléculas com resolução atômica incomparável durante essas reações rápidas. Ambos - resolução extraordinária no espaço e no tempo - ajudam a desenvolver um quadro completo de processos fundamentais rápidos.

Isso é exemplificado por dois estudos de uma reação química, em que moléculas em forma de anel se abrem em resposta à luz - um processo que desempenha um papel importante na produção de vitamina D em nossos corpos. Alguns anos atrás, pesquisadores fizeram um filme molecular usando LCLS, que forneceu os primeiros vislumbres do funcionamento da reação. Um estudo mais recente, usando MeV-UED, adicionaram detalhes adicionais de alta resolução.

"Juntos, LCLS e MeV-UED formam uma fábrica de fótons e elétrons de raios-X com uma relação simbiótica, e atendem às amplas necessidades de nossa comunidade científica, "diz o cientista do LCLS Mike Minitti, que é responsável por integrar um processo de seleção baseado em propostas para experimentos no instrumento MeV-UED, semelhante ao processo de revisão de propostas existente da instalação de raios-X.

Recebendo cientistas de todo o mundo

Nos últimos anos, enquanto a equipe de Wang construiu seu instrumento do zero, alguns grupos externos foram convidados a realizar projetos de pesquisa com MeV-UED em colaboração com a equipe SLAC.

Agora, O SLAC abriu o acesso ao instrumento para praticamente todos. Os pesquisadores podem enviar propostas de experimentos, que são avaliados por um comitê de especialistas, classificado e, se bem sucedido, dado tempo para conduzir o experimento. É a mesma maneira que o LCLS e outras fontes de luz de raios-X controlam o acesso aos seus instrumentos.

Embora os usuários venham de todo o mundo durante os próximos meses, o primeiro experimento com o instrumento está sendo feito por um pesquisador que está envolvido com o MeV-UED desde o início, projetar câmaras de amostra para materiais sólidos. Alexander Reid, um cientista da equipe do LCLS e do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES), está coletando dados esta semana.

"É imensamente gratificante ver o sistema MeV-UED, que começou com uma atitude positiva e muitas peças emprestadas, se tornar uma verdadeira usina de descoberta científica, "Reid diz.

Reid está observando fenômenos magnéticos em nanoescala em materiais como ferro-platina, um material novo, mas complexo que é relevante para memória de dados baseada em nuvem e pode melhorar a eficiência e confiabilidade do armazenamento de dados. Mas antes que o material possa ser amplamente utilizado, os pesquisadores primeiro precisam entender seu comportamento magnético fundamental.

"Com LCLS, podemos obter uma medição muito boa de como o magnetismo muda em escalas de tempo muito rápidas. Com UED, podemos olhar para a estrutura atômica do material e como ele reage à mudança do magnetismo, "Reid diz." Colocar essas duas medições juntas fornece uma imagem completa do que todo o sistema está fazendo. "