En los ultimos años, El Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía ha desarrollado una nueva herramienta para visualizar procesos físicos y químicos con una claridad excepcional:una "cámara electrónica" de ultra alta velocidad capaz de rastrear movimientos atómicos en una amplia gama de materiales en tiempo real. A partir de esta semana el laboratorio ha puesto esta herramienta a disposición de investigadores de todo el mundo.

La herramienta es un instrumento de difracción de electrones ultrarrápida (MeV-UED). Utiliza un haz de electrones altamente energéticos para sondear la materia y es especialmente útil para comprender los procesos atómicos que ocurren en escalas de tiempo tan cortas como unos 100 femtosegundos. millonésimas de mil millonésimas de segundo. Estas instantáneas rápidas brindan información completamente nueva sobre los procesos en la naturaleza y la tecnología, beneficiando las aplicaciones en biología, química, ciencia de materiales y otros campos.

La primera ejecución experimental impulsada por una propuesta del instrumento MeV-UED está programada hasta diciembre de este año y entregará esos potentes haces de electrones a 16 grupos de usuarios de más de 30 instituciones. Los experimentos se centrarán inicialmente en la ciencia de los materiales y en caliente, estados densos de la materia.

MeV-UED complementa el conjunto de métodos de laboratorio líderes en el mundo para estudios de ciencia ultrarrápida, incluido el láser de rayos X insignia de SLAC, la fuente de luz coherente Linac (LCLS). Utilizando toda la gama de estos métodos, los científicos pueden explorar muy diferentes, aspectos igualmente importantes de los procesos rápidos.

"En respuesta a un taller del DOE sobre el futuro de la dispersión y difracción de electrones en febrero de 2014, SLAC lanzó una iniciativa de difracción de electrones ultrarrápida con el objetivo de desarrollar un instrumento líder en el mundo cuyas capacidades complementarían las de LCLS, "dice Xijie Wang, director del instrumento MeV-UED. "Poner nuestra técnica de vanguardia a disposición de la amplia comunidad científica y apoyar el programa de SLAC en ciencia ultrarrápida es un hito emocionante para nosotros".

El instrumento MeV-UED se ha incorporado a la función de usuario de LCLS, añadiendo a las estaciones experimentales que utilizan rayos X.

"El ritmo de progreso en el desarrollo y la aplicación de esta nueva herramienta para la ciencia ultrarrápida ha sido realmente notable, "dice Mike Dunne, Director de LCLS. "Estuvimos encantados cuando la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía aprobó la incorporación de MeV-UED en LCLS, proporcionando acceso abierto para investigadores de todo Estados Unidos y de todo el mundo a esta nueva y emocionante capacidad ".

Un catalizador para una ciencia incomparable

Wang y su equipo han estado perfeccionando la tecnología desde el inicio del programa en 2014. En el camino, La investigación de MeV-UED ha dado lugar a un número considerable de publicaciones de gran impacto que describen descubrimientos en materiales para células solares y almacenamiento de datos; proporcionó películas sin precedentes de moléculas vibrando y rompiéndose; examinó el daño por radiación en materiales para reactores de fusión nuclear; y descubrió exóticas propiedades de materiales fluctuantes que podrían usarse en interruptores moleculares.

"Durante los últimos cuatro años, Hemos demostrado que MeV-UED puede conducir a un cambio de paradigma en la difracción de electrones ultrarrápida, en parte debido a su versatilidad para sondear una amplia gama de muestras sólidas y gaseosas, "Dice Wang." La alta energía de los electrones, que es exclusivo de nuestro instrumento, ha transformado la difracción ultrarrápida de electrones de una ciencia cualitativa a una cuantitativa, y nuestros experimentos se emplean ahora para validar predicciones teóricas e impulsar nuevos desarrollos teóricos ".

La última investigación y desarrollo del equipo está dedicada a explorar la ciencia en estados líquidos, el entorno natural para muchos procesos bioquímicos, por lo que los científicos pronto podrán concentrarse aún más en algunos de los detalles más fascinantes de la biología y la química.

Uniendo fuerzas para abrir nuevos caminos científicos

Todo el potencial del nuevo instrumento se vuelve aún más claro cuando se combina con el láser de rayos X del laboratorio.

Con LCLS, los científicos pueden rastrear los cambios moleculares que ocurren extremadamente rápido, en solo unos pocos femtosegundos. Con MeV-UED, pueden desenterrar imágenes nítidas de moléculas con una resolución atómica incomparable durante estas reacciones rápidas. Ambos, resolución extraordinaria en el espacio y en el tiempo, ayudan a desarrollar una imagen completa de los rápidos procesos fundamentales.

Esto se ejemplifica con dos estudios de una reacción química, en el que las moléculas en forma de anillo se abren en respuesta a la luz, un proceso que juega un papel importante en la producción de vitamina D en nuestro cuerpo. Hace unos pocos años, investigadores hicieron una película molecular usando LCLS, que proporcionó los primeros atisbos del funcionamiento de la reacción. Un estudio más reciente, utilizando MeV-UED, se agregaron detalles adicionales de alta resolución.

"Juntos, LCLS y MeV-UED forman una fábrica única de fotones y electrones de rayos X con una relación simbiótica, y abordan las amplias necesidades de nuestra comunidad científica, "dice el científico de LCLS Mike Minitti, quien se encarga de integrar un proceso de selección basado en propuestas para experimentos en el instrumento MeV-UED, similar al proceso de revisión de propuestas existente de la instalación de rayos X.

Dar la bienvenida a científicos de todo el mundo

En los últimos años, mientras que el equipo de Wang construyó su instrumento desde cero, Se invitó a algunos grupos externos a realizar proyectos de investigación con MeV-UED en colaboración con el equipo de SLAC.

Ahora, SLAC ha abierto el acceso al instrumento a prácticamente todo el mundo. Los investigadores pueden enviar propuestas para experimentos, que luego son evaluados por un comité de expertos, clasificado y, si tiene éxito, dado tiempo para realizar el experimento. Esa es la misma forma en que LCLS y otras fuentes de luz de rayos X manejan el acceso a sus instrumentos.

Si bien los usuarios vendrán de todo el mundo durante los próximos meses, el primer experimento en el instrumento lo está realizando un investigador que ha estado involucrado con MeV-UED desde el principio, diseño de cámaras de muestras para materiales sólidos. Alexander Reid, un científico de planta en LCLS y el Instituto de Stanford para las Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES), está recopilando datos esta semana.

"Es inmensamente gratificante ver el sistema MeV-UED, que comenzó con una actitud positiva y muchas partes prestadas, convertirse en una auténtica potencia para el descubrimiento científico, "Dice Reid.

Reid está analizando fenómenos magnéticos a nanoescala en materiales como hierro-platino, un material novedoso pero complejo que es relevante para la memoria de datos basada en la nube y podría mejorar la eficiencia y confiabilidad del almacenamiento de datos. Pero antes de que el material se pueda utilizar ampliamente, Los investigadores primero deben comprender su comportamiento magnético fundamental.

"Con LCLS, podemos obtener una muy buena medida de cómo cambia el magnetismo en escalas de tiempo muy rápidas. Con UED, podemos mirar la estructura atómica del material y cómo reacciona al magnetismo cambiante, "Dice Reid." Poner estas dos medidas juntas proporciona una imagen completa de lo que está haciendo todo el sistema ".