12 년 전, 물리학 자들은 최초의 X- 선 레이저를 켜고 그 이후로 전 세계의 다른 여러 사람들이 혁신적인 재료와 분자 탐사를 입증했습니다. 그러나 XFEL (X-Ray Free-Electron 레이저)이라고하는 장치는 부분적으로 레이저와 같습니다. 기존 레이저에 의해 방출되는 순수한 단일 파장 광와 달리, 그들은 시끄럽고 혼란스러운 빔을 생성합니다. 이제 물리학 자들은 엑스레이 펄스를 일반 레이저 빔과 훨씬 더 유용하게 만들기 위해 완벽한 다이아몬드 거울을 입력 할 계획을 개발하고 있습니다.
2023 년 초에 두 개의 시설이 경주하기 위해 원칙 증명 실험을 시작하면서 사용자가 주목할 것입니다. Max Planck 화학 에너지 변환 연구소의 화학자 인 Serena Debeer는“이 잠재력에 대해 흥분합니다. 그러나 그러한 정교한 Xfels를 깨닫는 것은 10 년이 걸릴 수 있고 쉽지 않을 것이라고 유럽 Xfel의 X-ray 물리학 자 Harald Sinn은 다음과 같이 경고합니다.
기존의 레이저는 두 거울 사이에 앉아있는 가벼운 방출 재료로 구성됩니다. 조심스럽게 간격을 둔 거울은 오르간 파이프가 특정 피치의 소리로 울리는 것처럼 원하는 파장의 빛으로 공명하는 공동을 형성합니다. 빛이 재료를 통해 앞뒤로 지나갈 때, 그것은 같은 파장의 더 많은 광자를 생산하도록 재료를 자극하여 양자 기계식 잠금 장치에서 행진하는 동일한 광자의 파동 (레이저 빔)이 하나의 거울을 통해 빛을 발할 때까지 빛을 증폭시킵니다.
.이 체계는 X- 레이에서 효과가 없습니다. 물리학 자들은 명백한 방사 재료와 최근까지 공명 공동을 형성하기에 충분한 각도로 X- 선을 반사하는 거울이 부족합니다. 따라서 입자 가속기를 사용하여 진공 파이프 아래로 많은 전자를 발사하고 undulater라고 불리는 긴 자석 열차를 통해 전자를 좌우로 흔들어 X- 선 광자를 방출합니다. 그런 다음 빛은 전자와 함께 이동하여 마이크로 런치로 밀어냅니다.이를 통해 일제히 흔들리고 훨씬 더 강하게 방사하여 펨토초 단지 엑스레이가 버스트를 생성합니다.
최초의 프리 전공 레이저는 1970 년대에 튕겨서 훨씬 더 긴 파장 전자 레인지를 생성했습니다. SLAC National Accelerator Laboratory의 물리학 자들은 실험실의 3km 길이의 선형 가속기를 사용하여 세계 최초의 XFEL, LINAC Coherent Light Source (LCLS)를 발사 할 때 "Hard"X-Ray에 대한 위업을 달성 한 것은 2009 년이되어야했습니다. 이후 다른 국가들은 6 명의 Xfels를 건설했습니다.
일반적인 레이저 빔과 마찬가지로 Xfel의 X- 레이는 해변을 가로 질러 바다 파도와 같은 매끄러운 전선에 도착합니다. 단일 XFEL 펄스는 나노 미터 크기의 크리스탈에서 흩어져 결정을 비트로 불어 넣더라도 원자 구조를 드러 낼 수 있습니다. 생물 학자들은 XFEL을 사용하여 무수한 단백질 및 다른 분자의 구조를 결정하여 덜 강렬한 X- 선원에서 연구 할 수있을만큼 큰 결정을 형성하지 않습니다. 그러나 Xfel은 전자 빔의 밀도에서 변동을 사용하여 X- 선을 생성하기 시작하기 때문에, 하나의 펄스는 강도가 다른 펄스와 다르고, 각 펄스는 넓고 무작위로 분포 된 파장 스펙트럼을 가지고 있습니다.
.Argonne National Laboratory의 가속기 물리학자인 Kwang-Je Kim은 그러한 소음을 때리기 위해 물리학 자들은 수십 년 동안 아이디어를 쫓아 냈다고 말합니다. "사람들은 때때로 음료에 대해 그것에 대해 이야기했지만 파티 대화였습니다."라고 그는 말합니다. 2000 년대 후반까지 김과 다른 사람들 이이 문제를 해결했을 때까지“아무도 심각한 계산을하지 않았습니다.”
아이디어는 하나의 전자에 의해 생성 된 X- 선 펄스의 일부를 추출하여 다음 전자와 겹치기 위해 제 시간에 변소기의 입구에 공급하는 것입니다. 재순환 된 X- 레이는 전자가 더 예측 가능하게 방출되는 종자 역할을합니다. 반복적 인 사이클에서 X- 선 펄스는 매우 순수하고 매끄러워 야하며, 파장의 확산은 일반적인 Xfel 펄스만큼 1/1000 만 넓습니다.
그러나 계획에는 매우 특별한 거울이 필요합니다. X- 레이는 대부분의 물질을 통해 폭발하지만 100 년 동안 X- 선이 결정 내 원자의 평행 평면 평면에서 회절함에 따라 완벽한 결정은 X- 레이의 에너지와 결정의 구조 및 방향에 따라 특정 각도로 X- 선을 반사해야한다는 것을 알고 있습니다. 결정은 또한 좁은 파장의 X- 선을 반사하기 때문에 필터 역할을합니다. Argonne의 X-ray 물리학자인 Yuri Shvyd'ko와 동료들은 작은 합성 다이아몬드가 99%의 효율로 X- 레이를 반영 할 수 있음을 보여 주었을 때 이러한 크리스탈 거울은 2010 년까지 열망으로 남아있었습니다. 다행히도 Xfel의 빔의 폭은 100 마이크로 미터 미만입니다. Shvyd'ko는“큰 수정이 필요하지 않습니다. "작은 크기의 완벽한 결정이 필요합니다."
이 계획은 또한 X- 선 빔이 거울의 회로를 둥글게 할 때마다 신선한 전자를 만나도록하기 위해 높은 반복 속도를 갖는 선형 가속기가 필요합니다. SLAC의 원래 가속기는 너무 느려 초당 120 배 발사됩니다. 유럽 Xfel은 2 초에 220 만 사이클로 실행되므로 136 미터 길이의 캐비티는 X- 레이를 전자 묶음과 동기화합니다. SLAC는 2022 년부터 초당 1 백만 사이클로 실행되는 가속기를 설치하고 있습니다.
캐비티 기반 XFEL의 필수 요소를 테스트하기 위해 Argonne, SLAC 및 Japanese Lab Spring-8의 물리학자는 4 개의 크리스탈 거울을 사용하여 7 개의 LCLS 기복기 주위에 66 미터 길이의 구멍을 구축 할 계획입니다. SLAC의 현재 가속기를 피함으로써, 그들은 변소기를 통해 220 나노초로 분리 된 2 개의 전자를 쏘고 첫 번째 묶음에서 X- 레이를 재순환하면 두 번째 묶음이 더 효율적으로 방출되기를 희망합니다. SLAC의 가속 물리학자인 가브리엘 마커스 (Gabriel Marcus)는이 시스템은 2023 년에 시작되어야한다고 말했다. 유럽 XFEL의 연구원들은 2024 년까지 약간 다른 디자인을 구현할 계획입니다. 그들은 기복기를 통해 최대 2700 개의 전자 묶음을 보내고 레이저 빔이 각 패스마다 더 강하고 매끄럽게 자라는 것을보고 싶어합니다.
.컴퓨터에서 유럽 XFEL 프로젝트를 모델링 한 함부르크 대학교 (University of Hamburg University)의 X- 레이 물리학자인 패트릭 라우어 (Patrick Rauer)는이 계획에 밀리미터 크기의 다이아몬드가 수백만으로 정렬 되면서이 계획에 특별한 정밀도가 필요하다고 경고했다. Rauer는“이것은 큰 문제입니다. "이것은 매우 어려울 것입니다." 독일 전자 싱크로트론 실험실의 가속 물리학자인 Ilya Agapov는 순환 X- 레이가 거울을 가열함에 따라 더 어려운조차도 정렬을 유지할 것이라고 말합니다.
.그럼에도 불구하고 잠재적 인 사용자는 주요 혜택을 예측합니다. 예를 들어, Siegen 대학교의 Christian Gutt는 유럽 XFEL을 사용하여 용액의 단백질이 단백질에 의해 회사 된 X- 선의 패턴에서 상관 관계를 연구함으로써 솔루션의 단백질이 나노초만큼 짧은 시간 척도에서 어떻게 짧은 방법을 연구했습니다. 그 패턴은 공동 기반 XFEL과 훨씬 더 선명 할 것이라고 그는 말했다. "그것은 우리에게 게임 체인저가 될 것입니다."
아르곤 (Argonne)의 원자 물리학자인 린다 영 (Linda Young)은 원자 물리학 자들이 이제는 눈에 띄는 빛으로 원자 상태를 제어함에 따라 캐비티 기반 Xfel은 극도로 좁은 스펙트럼을 통해 원자 핵의 양자 상태를 제어하는 역할을 할 수도 있다고 말했다. "매우 거칠다"고 그녀는 말한다. 필요한 것은 몇 가지 거울뿐만 아니라 많은 노력입니다.
*교정, 8 월 30 일 오후 4시 : 이 이야기는 SLAC National Accelerator Laboratory의 실험에서 적절한 수의 기복기와 공동의 길이에 주목하도록 변경되었습니다.
