Un quantum pour les technologies d’énergie propre et la médecine.
Le Laboratoire national des accélérateurs des États-Unis (SLAC), géré par l’Université de Stanford, a produit avec succès le laser à rayons X le plus puissant au mondequi ouvrira une nouvelle ère dans divers domaines de la recherche scientifique de pointe, comme le rapporte un libérer.
Le SLAC dispose d’un accélérateur d’électrons de plus de 3 kilomètres de long qui génère des rayons X, des lasers et des faisceaux d’électrons extrêmement utiles pour des expériences innovantes. Il a propulsé des électrons jusqu’à des énergies allant jusqu’à 50 gigaélectronvolts (GeV).
L’un des développements les plus significatifs du SLAC est la Laser à électrons libres et à rayons X (XFEL) du Source de lumière cohérente Linac (LCLS), qui a été le protagoniste du faisceau laser X le plus puissant au monde.
Il y est parvenu grâce à une récente mise à niveau, appelée LCLS-II, qui lui a permis de créer des capacités sans précédent et d’inaugurer une nouvelle ère dans la recherche sur les rayons X.
Nouveau niveau de science des rayons X
Les lasers à électrons libres à rayons X produisent des impulsions de rayons X ultra-brillantes et ultra-brèves qui permettent aux scientifiques de capturer le comportement des molécules, des atomes et des électrons avec des détails sans précédent sur les échelles de temps naturelles sur lesquelles les changements se produisent. biologie et matériaux.
Les XFEL ont joué un rôle déterminant dans de nombreuses réalisations scientifiques, notamment la création du premier « film moléculaire » permettant d’étudier des processus chimiques complexes, d’observer en temps réel comment les plantes et les algues absorbent la lumière du soleil pour produire tout l’oxygène que nous respirons et d’étudier les conditions extrêmes qui déterminent la évolution des planètes et phénomènes tels que la pluie de diamants.
carrière météorique
LCLS, le premier XFEL dur au monde, a produit sa première lumière en avril 2009, générant des impulsions de rayons X un milliard de fois plus lumineuses que jamais. Il accélère les électrons à travers un tube de cuivre à température ambiante, limitant leur vitesse à 120 impulsions de rayons X par seconde.
Sa récente mise à niveau (LCLS-II) a propulsé la science des rayons X à un tout autre niveau : elle peut produire jusqu’à un million d’impulsions de rayons X par seconde, soit 8 000 fois plus que la version précédente (LCLS), et produire une impulsion presque continue. Faisceau de rayons X qui sera en moyenne 10 000 fois plus lumineux que son prédécesseur – un record mondial pour les sources lumineuses à rayons X les plus puissantes d’aujourd’hui.
Accélérateur supraconducteur
Cette réalisation est le point culminant d’un vaste effort de collaboration, avec des contributions vitales de chercheurs du monde entier. Plusieurs institutions, dont cinq laboratoires américains et une université, ont contribué au projet, témoignant de son importance nationale et internationale.
Au cœur des capacités améliorées du LCLS-II se trouve son révolutionnaire accélérateur supraconducteur. Il se compose de 37 modules cryogéniques refroidis à -271 111 degrés Celsius (plus froid que l’espace), une température à laquelle il peut conduire des électrons vers des énergies élevées avec une perte d’énergie presque nulle.
Des composants de pointe
L’accélérateur supraconducteur fonctionne en parallèle avec celui en cuivre existant, permettant aux chercheurs d’effectuer des observations sur une plage d’énergie plus large, de capturer des instantanés détaillés de processus rapides, de sonder des échantillons délicats hors de portée d’autres sources lumineuses et de collecter plus de données en moins de temps. , augmentant ainsi considérablement le nombre d’expériences pouvant être réalisées en interne.
En plus d’un nouvel accélérateur, LCLS-II nécessitait de nombreux autres composants de pointe, notamment un nouvelle source d’électronsdeux centrales cryogéniques puissantes qui produisent du liquide de refroidissement pour les structures de niobium dans les cryomodules et deux nouveaux onduleurs pour générer des rayons X à partir de l’électron, ainsi que des avancées importantes dans la technologie laser, le traitement ultra-rapide des données et les capteurs et détecteurs avancés.
L’équipe humaine qui a réussi cette prouesse technologique révolutionnaire. Matt Boyes/Laboratoire national des accélérateurs du SLAC.
Révolution scientifique
Les scientifiques se préparent depuis des années à utiliser LCLS-II dans le cadre d’un vaste programme de recherche visant à relever des défis jusqu’à présent hors de portée.
Par exemple, les scientifiques pourront étudier les interactions dans les matériaux quantiques à leur échelle de temps naturelle, ce qui est essentiel pour comprendre leurs propriétés inhabituelles et souvent contre-intuitives.
Ils utiliseront ces interactions pour construire des appareils économes en énergie, des ordinateurs quantiques, un traitement de données ultra-rapide et d’autres technologies futures.
Réactions chimiques et biologiques
En capturant des instantanés à l’échelle atomique des réactions chimiques à l’échelle de temps attoseconde (l’échelle à laquelle les électrons se déplacent), LCLS-II fournira également des informations sans précédent sur les réactions chimiques et biologiques, conduisant à des industries plus efficaces et plus efficientes dans des secteurs allant des énergies renouvelables aux production d’engrais et atténuation des gaz à effet de serre.
Les impulsions de rayons X générées par LCLS-II permettront également aux scientifiques de suivre en temps réel le flux d’énergie à travers des systèmes complexes. Cela fournira un niveau de détail sans précédent pour éclairer le développement de domaines tels que l’informatique ultrarapide, la fabrication durable et les communications.
La science des matériaux
À l’intersection de la physique, de la chimie et de l’ingénierie, la science des matériaux bénéficiera également de manière substantielle des nouvelles capacités du LCLS-II.
Le potentiel accru de l’électronique pour le stockage d’énergie et l’ingénierie aérospatiale
Meilleurs films moléculaires
Enfin, eL CLS II a également la capacité de créer films moléculairesqui nous permettent d’observer le fonctionnement de la nature aux plus petites échelles : elles peuvent éclairer ces phénomènes, révolutionnant notre compréhension de la vie à son niveau le plus élémentaire.
De la danse complexe des protéines à la machinerie de la photosynthèse, LCLS-II mettra en lumière les systèmes biologiques avec des détails jamais vus auparavant.