Dos métodos inventados de forma independiente por científicos de la Dirección de Aceleradores de SLAC han producido los primeros pulsos de láser de rayos X duros de attosegundos del mundo en las instalaciones de LCLS del laboratorio. En un método, las formas de los grupos de electrones que se utilizan para generar rayos X se manipularon con un campo de radiofrecuencia para que parte de cada grupo (área densa a la izquierda) emita pulsos de rayos X con longitudes de pulso más cortas que nunca. Crédito:Laboratorio Nacional Acelerador Yuantao Ding / SLAC
Los expertos en aceleradores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía están desarrollando formas de hacer que el láser de rayos X más potente sea mejor que nunca. Han creado los pulsos de rayos X más cortos del mundo para capturar los movimientos de los electrones, así como trenes ultrarrápidos de pulsos de rayos X para "filmar" el movimiento atómico, y han desarrollado programas informáticos "inteligentes" que maximizan el valioso tiempo experimental.
Con sus rayos X mil millones de veces más brillantes que los disponibles antes, La fuente de luz coherente Linac de SLAC (LCLS) ya ha revolucionado el campo de la ciencia ultrarrápida y ha abierto nuevas vías para la investigación en química. biología y ciencia de los materiales. Los nuevos desarrollos mejoran aún más las capacidades del láser de rayos X.
"La creación de nuevas capacidades para LCLS es un esfuerzo continuo muy importante en SLAC, "dijo Axel Brachmann, jefe de la División Linac y FEL de la Dirección de Aceleración del laboratorio, en la reunión de usuarios de SSRL / LCLS de 2017 en septiembre, donde se presentaron algunos de estos desarrollos. "Nuestros ingenieros y científicos están trabajando arduamente para superar los límites de lo que es tecnológicamente posible y asegurarse de que SLAC siga siendo un líder mundial en la ciencia de los rayos X".
El poder de descubrimiento de LCLS está empaquetado en destellos extremadamente brillantes de luz de rayos X, cada uno dura sólo unos pocos femtosegundos, una millonésima de mil millonésima de segundo. Como una luz estroboscópica que congela los movimientos demasiado rápido para verlos a simple vista, estos destellos capturan imágenes de núcleos atómicos que se mueven rápidamente en moléculas y materiales. Pero a los investigadores les gustaría ir más allá y filmar los movimientos aún más rápidos de los electrones de un átomo.
"Estos movimientos ultrarrápidos son fundamentales porque preparan el escenario para todos los procesos más lentos, "dice el científico del personal Yuantao Ding". Sin embargo, ocurren en menos de un femtosegundo, y necesitamos una 'cámara' más rápida para capturarlos ".
Dos equipos SLAC, dirigido por Ding y el físico acelerador Agostino Marinelli, ahora hemos dado un paso importante en esa dirección. Demostraron dos métodos independientes para la generación de pulsos de rayos X de unos cientos de attosegundos, o mil millonésimas de mil millonésimas de segundo, estableciendo un récord para los láseres de rayos X.
Ambos grupos manipularon los racimos apretados de electrones que vuelan a través de un conjunto especial de imanes, llamado ondulador, para generar pulsos de rayos X LCLS. Ellos ajustaron los racimos para que solo una parte de cada grupo emitiera luz láser de rayos X, lo que resultó en una duración de pulso mucho más corta.
"Este es un gran paso adelante, y en realidad utiliza métodos relativamente simples para generar pulsos de rayos X de attosegundos con una energía relativamente alta, "Dice Marinelli." Para llevar esto aún más lejos, Los usuarios de LCLS quieren utilizar rayos X más suaves que les permitan estudiar los electrones externos de un átomo, que son los que intervienen en las reacciones químicas. Resulta que la creación de pulsos de attosegundos de rayos X suaves es un proceso mucho más complejo ".
Esta ilustración muestra cómo tres pulsos de rayos X con diferentes energías, o colores, se generan con la técnica de rebanada fresca a partir de un solo grupo de electrones que atraviesa tres secciones separadas de un imán especial, llamado ondulador. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Es por eso que Marinelli y otros están trabajando en un tercer método, llamados pulsos de attosegundos mejorados con láser de rayos X (XLEAP). En este enfoque, los grupos de electrones interactúan con un láser infrarrojo dentro del ondulador y se cortan en rodajas finas. Las simulaciones sugieren que este método, que actualmente se está probando en LCLS, puede producir pulsos de rayos X suaves que solo duran 500 attosegundos.
Nuevas formas de filmar átomos con múltiples flashes de rayos X
Para hacer películas de procesos ultrarrápidos en LCLS, los investigadores utilizan la técnica de la bomba-sonda, en el que golpean una muestra con un pulso de "bomba" de un láser convencional para desencadenar una respuesta atómica y luego examinan la respuesta con un pulso de "sonda" del láser de rayos X. Variando la cantidad de tiempo entre los dos pulsos, pueden crear una película stop-action que muestre cómo cambia la estructura atómica de la muestra con el tiempo.
Esto funciona bien mientras el proceso, como la ruptura de un enlace químico en una molécula, se puede iniciar con un láser convencional que emite visible, luz infrarroja o ultravioleta. Sin embargo, algunas reacciones solo pueden desencadenarse por las energías más altas de los pulsos de luz de rayos X.
En principio, estos experimentos podrían realizarse en LCLS ahora, pero el tiempo entre pulsos limitaría los estudios a procesos más lentos de 8 milisegundos. Incluso con la futura actualización de LCLS-II, que "disparará" hasta un millón de pulsos por segundo, este límite aún sería un microsegundo. Por lo tanto, Los físicos de aceleradores están inventando métodos que generan trenes de destellos de rayos X de ultra alta velocidad para la exploración de procesos mucho más rápidos.
"SLAC está probando e implementando una serie de técnicas de pulso múltiple para experimentos de sonda de bomba de rayos X con rayos X suaves y duros, como el ondulador dividido, manojo gemelo esquemas de rebanadas frescas y de dos cubos, "dice el científico del personal Alberto Lutman." Juntos cubren una amplia gama de retrasos de pulso muy cortos, desde retraso cero, lo que significa que los pulsos de rayos X de la bomba y la sonda golpean la muestra al mismo tiempo, a retrasos de unos pocos femtosegundos, y luego hasta más de 100 nanosegundos entre pulsos ".
Lutman encabeza el desarrollo de la técnica de rebanada fresca, en el que la cabeza, La cola y el centro de un solo grupo de electrones pueden producir pulsos de rayos X separados en secciones separadas del ondulador. "Este es un método extremadamente flexible, ", dice." Nos permite variar finamente el retraso entre los pulsos, y también nos permite modificar el color y la polarización de cada pulso de rayos X individualmente ".
Experimentos con pulsos de varios colores, o energías de rayos X, pueden, por ejemplo, mejorar los detalles en los estudios de las estructuras atómicas tridimensionales y las funciones de las moléculas, como proteínas de importancia médica. El método de corte fresco también tiene el potencial de aumentar la potencia de pulsos de rayos X extremadamente cortos, y se ha utilizado en técnicas de siembra que mejoran el rendimiento del láser de rayos X al hacer que su luz sea menos ruidosa.
Los programas informáticos inteligentes mejoran la eficiencia de las operaciones y optimizaciones del láser de rayos X, permitiendo un mayor tiempo experimental y potencialmente conduciendo a nuevos tipos de experimentos. Crédito:Terry Anderson / SLAC National Accelerator Laboratory
La mayoría de los métodos de pulsos múltiples se han demostrado para secuencias rápidas de dos o tres destellos de rayos X, pero el uso de aún más pulsos está en el horizonte. Un equipo liderado por el físico acelerador Franz-Josef Decker está trabajando actualmente en una técnica que utiliza múltiples pulsos láser para la generación de trenes de hasta ocho pulsos de rayos X. Esto permitiría a los investigadores seguir la compleja evolución de cómo un material responde a los choques de alta presión, por ejemplo, en el estudio de colisiones de meteoritos.
Control 'inteligente' de una máquina de descubrimiento compleja
La base de toda la investigación anterior es la necesidad de encontrar nuevas formas de ejecutar LCLS de la manera más eficiente para que se puedan acomodar más experimentos. La instalación es uno de los cinco láseres de rayos X duros que operan en el mundo, y el acceso a él es extremadamente competitivo. Un camino para aumentar la cantidad de tiempo experimental es minimizar el tiempo dedicado a ajustar la máquina para satisfacer las necesidades de experimentos específicos.
"Cada año pasamos muchas horas optimizando la máquina, lo que implica tediosos ajustes de una gran cantidad de imanes LCLS, ", dice Daniel Ratner, científico del personal de SLAC. Queremos automatizar este procedimiento para tener tiempo libre para las actividades que realmente requieren la participación humana".
Hasta hace aproximadamente un año, él dice, todo el ajuste fino se hizo manualmente. Ahora se hace con la ayuda de computadoras, que ya ha reducido el tiempo de optimización a la mitad. Pero los expertos en aceleradores del laboratorio quieren llevar la automatización al siguiente nivel mediante el uso de un tipo de inteligencia artificial conocida como "aprendizaje automático", un enfoque en el que los programas informáticos "inteligentes" aprenden de las optimizaciones anteriores del láser de rayos X en lugar de repetir la misma rutina cada tiempo.
"Esto dará lugar a importantes ahorros de tiempo adicionales, "dice el físico de aceleradores Joseph Duris, quien lidera la iniciativa de aprendizaje automático de la Dirección de Aceleradores de SLAC. "Los algoritmos de optimización más inteligentes también nos ayudarán a explorar configuraciones LCLS completamente nuevas para prepararnos para experimentos futuros".
Por último, si bien no menos importante, El aprendizaje automático ayudará al laboratorio a operar de manera eficiente dos láseres de rayos X complejos uno al lado del otro cuando se complete la actualización del LCLS-II.
