درخشان‌ترین لیزر پرتو ایکس جهان در شرف راه اندازی

به گزارش مجله خبری نگار و به نقل از آی‌ای، دانشمندان آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلک (SLAC) در حال انجام کار‌های پایانی برای اتمام ساخت درخشان‌ترین لیزر پرتوی ایکس جهان هستند. این لیزر که اختصارا "LCLS-II" نامیده می‌شود، پس از عملیاتی شدن، ۱۰ هزار برابر درخشان‌تر از درخشان‌ترین لیزر پرتو ایکس کنونی خواهد بود.

آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده اسلک مشهور به "SLAC" یک مرکز علمی فدرال در ایالت کالیفرنیای آمریکا است. این آزمایشگاه متعلق به وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا است و توسط دانشگاه "استنفورد" اداره می‌شود.

این لیزر در حال حاضر در حدود ۳۰ فوت (۹ متر) زیر زمین در نزدیکی دانشگاه "استنفورد" در حال ساخت است که به فیزیکدانان کمک می‌کند تا برخی از ناشناخته‌های اساسی جهان ما را دریابند. این دستگاه لیزری به طول حدود ۲ مایل (۳.۲ کیلومتر) در یک تونل حفاری ویژه گسترش می‌یابد.

نسخه پیشین آن موسوم به " LCLS-I" در سال ۲۰۰۹ فعال شد و قادر به ایجاد پرتویی با ۱۲۰ پالس یا شلیک نور در ثانیه است. با این حال، "LCLS-II" این رکورد را با توانایی تولید یک میلیون شلیک در ثانیه به شکل چشمگیری می‌شکند.

دکتر "جیمز کریان" دانشمند SLAC گفت: من فکر می‌کنم کاملاً منصفانه است که بگوییم "LCLS-II" دوره جدیدی از علم را آغاز خواهد کرد.

وی گفت: این لیزر جدید قادر به ایجاد پالس‌هایی تا زیر یک فمتوثانیه (یک میلیون میلیاردم ثانیه برابر با ۱۰ به توان منفی ۱۵ ثانیه) است. توانایی شلیک بسیار سریع و خارق العاده این لیزر، دانشمندان را قادر می‌سازد تا آزمایشاتی را انجام دهند که تا به حال تصور نمی‌شد.

"LCLS-II" کمی شبیه یک میکروسکوپ، اما با وضوحی در سطح اتمی عمل می‌کند. در قلب این دستگاه، یک شتاب دهنده ذرات قدرتمند قرار دارد که ذرات باردار را سرعت می‌بخشد و آن‌ها را به یک پرتوی بسیار قدرتمند هدایت می‌کند.

این پرتو سپس از طریق یک سری آهنربا‌های متناوب (به نام موج ساز) می‌گذرد تا اشعه ایکس تولید کند. دانشمندان می‌توانند از آن اشعه ایکس برای ایجاد آنچه که آن‌ها را "فیلم‌های مولکولی" می‌نامند، استفاده کنند. می‌توانید این تصاویر را به‌عنوان عکس‌های فوری از اتم‌ها یا مولکول‌ها در حال حرکت در نظر بگیرید که هر تصویر را در چند کوادریلیونم ثانیه ثبت می‌کند و مانند یک فیلم به هم متصل می‌شوند.

نسخه پیشین این لیزر اگرچه در گرفتن این عکس‌های فوری کندتر بود، اما دانشمندان در سراسر جهان را قادر ساخت تا اکتشافات بسیار جالب و مهمی را انجام دهند. این اکتشافات شامل مواردی مانند مشاهده واکنش‌های شیمیایی در زمان وقوع، نشان دادن رفتار اتم‌ها درون ستاره‌ها و تولید عکس‌های فوری زنده است که جزئیات فرآیند فتوسنتز را نشان می‌دهد.

به گفته "اندرو بوریل" مدیر آزمایشگاه SLAC، توانایی گرفتن تصاویر در فواصل فمتوثانیه با این لیزر جدید، یک تغییر دهنده بازی بسیار مهم خواهد بود.

وی می‌گوید: اگر به یک صفحه متشکل از چراغ‌های ال‌ای‌دی فکر کنید که ۱۲۰ بار در ثانیه خاموش و روشن می‌شود، شاهد یک تصویر خواهید بود. حال اگر در یک ثانیه میلیون‌ها بار خاموش و روشن شود، تصویر بسیار متفاوتی دریافت می‌کنید؛ بنابراین می‌توانید فیلم بسیار بهتری بسازید.

به گفته دانشمندان، این لیزر جدید هیولایی کاملاً متفاوت از نسل قبلی خود است. زیرا سرعتی که "LCLS-II" قادر به گرفتن عکس‌های فوری در سطح اتمی است، تنها تفاوت بین این لیزر جدید و نسل قبلی آن نیست.

در حالی که هر دو دستگاه، الکترون‌ها را تقریباً به سرعت نور شتاب می‌دهند، اما هر کدام به روشی متفاوت این کار را انجام می‌دهند. برای مثال، "LCLS-I" الکترون‌ها را در دمای اتاق به سمت لوله‌های مسی هدایت می‌کند که این کار برای شلیک‌های کوتاه خوب است، اما برای عملکرد مداوم ایده‌آل نیست.

این جایی است که لیزر جدید خودش را نشان می‌دهد. عملکرد مداوم از نوع مورد نیاز برای "LCLS-II" گرمای زیادی تولید می‌کند. حفره‌های مسی معمولی، همانطور که در "LCLS-I" استفاده می‌شود، مقدار زیادی از این گرما را از بین می‌برد، بنابراین مهندسان به یک شتاب‌دهنده ابررسانای جدید روی آوردند.

این ماده جدید شامل ده‌ها دستگاه به طول ۴۰ فوت (۱۲ متر) به نام "کریوماژول" (cryomodules) است که برای کار در دو درجه بالاتر از صفر مطلق (منفی ۴۵۶ درجه فارنهایت) طراحی شده است. آن‌ها توسط یک کارخانه عظیم برودتی در بالای زمین در دمای عملیاتی نگه داشته می‌شوند.

به گفته "کریان"، تمام این سیستم به دانشمندان SLAC این امکان را می‌دهد که به سؤالات اساسی مانند اینکه انتقال انرژی درون سیستم‌های مولکولی چگونه اتفاق می‌افتد؟ انتقال بار چگونه اتفاق می‌افتد؟ و امثالهم پاسخ دهند.

وی افزود: وقتی برخی از این اصول را فهمیدیم، می‌توانیم شروع به استفاده از آن‌ها کنیم تا بفهمیم چگونه می‌توانیم فتوسنتز مصنوعی انجام دهیم یا چگونه می‌توانیم سلول‌های خورشیدی بهتر بسازیم.

دانشمندان SLAC امیدوارند که بتوانند این لیزر جدید را در سال جدید میلادی روشن کنند و امیدوارند اولین اشعه ایکس را در تابستان تولید کنند؛ بنابراین جالب خواهد بود که ببینیم "LCLS-II" در سال ۲۰۲۲ و پس از آن از چه راز‌هایی از جهان رونمایی پرده برداری خواهد کرد.