Installation du laser à rayons X le plus brillant au monde

À 30 pieds sous terre et à deux pas de l’université de Stanford, des experts mettent la touche finale à un laser qui pourrait fondamentalement modifier la façon dont ils examinent les blocs de fabrication de l’univers.

Une fois terminé l’année civile suivante, le Linac Coherent Gentle Resource II, ou le LCLS-II, sera le deuxième laser à rayons X de classe mondiale au SLAC Countrywide Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie. CNET s’est vu présenter la perspective inhabituelle de filmer dans le tunnel étendu de plus de 2 milles avant le lancement du nouveau laser. Cliquez sur la vidéo en ligne mentionnée précédemment pour maîtriser davantage.

Le 1er LCLS, en service depuis 2009, produit un faisceau capable de 120 impulsions légères par prochaine. Le LCLS-II sera capable de produire jusqu’à 1 million d’impulsions par seconde et un faisceau plus lumineux de 10 000 périodes que son prédécesseur.

Dans le tunnel souterrain du LCLS.

Andy Altman/CNET

« Je pense qu’il est vraiment très bien de dire que le LCLS-II inaugurera une nouvelle période de la science », déclare le Dr James Cryan, un employé scientifique du SLAC.

Il est vraiment «capable de produire des impulsions jusqu’en dessous d’une femtoseconde. Une femtoseconde est à un 2e ce que le 2e est à l’âge de l’univers. » Cryan dit que le laser pulsera si rapidement qu’il rendra possible des expériences auparavant impossibles.

Vous pouvez considérer le LCLS comme un microscope avec une résolution atomique. En son cœur, il s’agit d’un accélérateur de particules, un dispositif qui accélère les particules chargées et les canalise dans un faisceau. Ce faisceau est ensuite acheminé via une collection d’aimants alternatifs (un système appelé onduleur) pour créer des rayons X. Les scientifiques peuvent utiliser des rayons X individuels pour générer ce qu’ils appellent des films moléculaires. Ce sont des instantanés d’atomes et de molécules en mouvement, capturés à l’intérieur de plusieurs quadrillions de seconde, et enchaînés collectivement comme un film.

yt-stanford-laser-v3

À la recherche d’Undulator Hall, une étendue de 100 mètres d’aimants alternatifs qui transforment les faisceaux d’électrons en rayons X.

Andy Altman/CNET

Des scientifiques de presque tous les domaines scientifiques sont venus du monde entier pour mener leurs expériences avec le LCLS. Entre autres choses, leurs films moléculaires ont montré des réactions chimiques au fur et à mesure qu’elles se produisaient, montré les habitudes des atomes à l’intérieur des étoiles et développé des instantanés d’arrêt détaillant la procédure de la photosynthèse.

Le LCLS-II et sa quantité d’impulsions plus élevée se transforment en un changeur de sport pour ces films moléculaires, selon Andrew Burrill, directeur du laboratoire associé du SLAC.

Du laboratoire à votre boîte de réception. Recevez chaque semaine les dernières histoires scientifiques de CNET.

« Si vous pensez à une lumière stroboscopique qui s’éteint 120 fois, vous voyez un seul graphique. S’il s’éteint un million de périodes dans un 2e, vous obtenez une image très diversifiée. Ainsi, vous pouvez créer un film bien supérieur », déclare-t-il.

Même si ces deux lasers accélèrent les électrons à pratiquement la vitesse de la douceur, ils le feront tous différemment. L’accélérateur du LCLS pousse les électrons dans un tuyau en cuivre qui fonctionne à la température de l’espace, conçu pour n’être activé que par petites rafales. Mais le LCLS-II est conçu pour fonctionner en continu, ce qui indique qu’il génère des quantités substantielles de chaleur. Une cavité en cuivre absorberait beaucoup trop de cette chaleur. C’est pourquoi les ingénieurs se sont tournés vers un nouvel accélérateur supraconducteur, composé de dizaines d’équipements étendus de 40 pieds appelés cryomodules créés pour fonctionner à deux niveaux mentionnés précédemment, le zéro absolu (-456 niveaux Fahrenheit). Ils sont conservés à température de fonctionnement par une importante usine de cryogénie mentionnée précédemment.

20211020-111637

Une série de cryomodules supraconducteurs fonctionnant à -456 degrés Fahrenheit accélèrent les électrons à peu près au rythme de doux.

Andy Altman/CNET

Cryan dit que le LCLS-II permettra aux chercheurs du SLAC de répondre aux questions qu’ils tentent de résoudre depuis de nombreuses années. « Comment se produit le transfert de vitalité à l’intérieur des systèmes moléculaires ? Comment se matérialise le transfert de charges ? Dès que nous comprenons certains de ces principes, nous pouvons commencer à les utiliser pour comprendre comment nous pouvons faire la photosynthèse synthétique, comment pouvons-nous établir de bien meilleures cellules solaires.

Les chercheurs du SLAC espèrent produire leur faisceau d’électrons initial avec le LCLS-II en janvier, adopté par eux pour commencer avec les rayons X au cours des mois d’été, qu’ils appelleront leur première célébration de «grande lumière».