Što je napredni izvor fotona? Kako su izrađeni ultra svijetli zračni snopovi

Četrnaest je sati ujutro, a ja sam već oko 20 sati u redu. Javlja se glasan alarm, praćen crvenim svjetlom. Krmeni glas najavljuje: "Stanica za pretraživanje B. Odmah izađite." Osjećam se kao hitan slučaj, ali nije. Zapravo, alarm je već otišao 60 ili 70 puta danas. To je upozorenje, svatko tko je u blizini zna da znam pucati snopom rendgenskog zraka u malu sobu punu elektroničke opreme i perjanice isparavanja tekućeg dušika.

U središtu ove sobe, koja se zove postaja B, stavio sam kristal koji nije deblji od ljudske kose na vrhu malenog staklenog vlakna. Pripremio sam na desetke tih kristala i pokušavam ih sve analizirati.

Ovi kristali su izrađeni od organskih poluvodičkih materijala, koji se koriste za izradu računalnih čipova, LED svjetala, ekrana pametnih telefona i solarnih panela. Želim saznati točno gdje se nalazi svaki atom unutar kristala, koliko su gusto pakirani i kako međusobno djeluju. Ove informacije će mi pomoći predvidjeti koliko će struja prolaziti kroz njih.

Da bi vidjeli te atome i odredili njihovu strukturu, potrebna mi je pomoć sinkrotrona, koji je masivni znanstveni instrument koji sadrži kilometar dugu petlju elektrona koji se približavaju brzinom svjetlosti. Trebam i mikroskop, žiroskop, tekući dušik, malo sreće, darovitog kolegu i tricikl.

Dobivanje kristala na mjesto

Prvi korak ovog eksperimenta uključuje stavljanje super-sitnih kristala na vrh staklenih vlakana. Upotrijebio sam iglu kako bih ih skupio na staklenu pločicu i stavio pod mikroskop. Kristali su lijepi - šareni i fasetirani poput malih dragulja. Često se nalazim zatečena, zureći u oči mikroskopom uskraćenih sna, i preusmjeravam pogled prije nego mukotrpno nagovorim jedan na vrh staklenog vlakna.

Nakon što sam kristal pričvrstio na vlakno, počinjem često frustrirajuće zadatke centriranja kristala na vrhu žiroskopa unutar stanice B. Ovaj uređaj će okretati kristal oko, polako i kontinuirano, omogućujući mi da dobijem X- prikazuju slike sa svih strana.

Dok se vrti, za hlađenje se koristi para tekućeg dušika: čak i na sobnoj temperaturi, atomi vibriraju naprijed-natrag, što otežava dobivanje jasnih slika o njima. Hlađenje kristala na minus 196 stupnjeva Celzija, temperatura tekućeg dušika, čini da se atomi toliko zaustave.

Fotografija s X-zrakama

Jednom kad kristal bude centriran i ohlađen, zatvaram stanicu B, a iz kompjuterskog kontrolnog čvorišta izvan nje, raspršujem uzorak rendgenskim zrakama. Dobivena slika, nazvana difrakcijski uzorak, prikazuje se kao svijetle točke na narančastoj pozadini.

Ono što radim ne razlikuje se mnogo od fotografiranja fotoaparatom i bljeskalicom. Upravo ću poslati svjetlosne zrake na objekt i zabilježiti kako se svjetlost odbija od njega. Ali ne mogu koristiti vidljivo svjetlo za fotografiranje atoma - oni su premali, a valne duljine svjetla u vidljivom dijelu spektra su prevelike. X-zrake imaju kraće valne duljine, tako da će se difraktirati ili odbiti od atoma.

Međutim, za razliku od fotoaparata, difraktirane rendgenske zrake ne mogu biti fokusirane jednostavnim objektivom. Umjesto fotografije slične fotografiji, podaci koje prikupljam su neusmjereni uzorak odakle su X-zrake otišle nakon što su odbile atome u mom kristalu. Cijeli skup podataka o jednom kristalu sastoji se od tih slika snimljenih iz svakog kuta oko kristala dok ga žiroskop okreće.

Napredna matematika

Moj kolega, Nicholas DeWeerd, sjedi u blizini i analizira skupove podataka koje sam već prikupio.Uspio je satima ignorirati blistave alarme i trepćuća svjetla, zureći u difrakcijske slike na zaslonu kako bi, u stvari, rendgenske slike sa svih strana kristala pretvorio u sliku atoma unutar samog kristala.

U proteklim godinama taj je proces možda zahtijevao godine pažljivih izračuna ručno, ali sada koristi računalno modeliranje da sve dijelove stavi zajedno. On je neslužbeni stručnjak naše istraživačke skupine u ovom dijelu slagalice, i on to voli. "To je kao Božić!" Čujem ga kako mrmlja, dok prolazi kroz svjetlucave slike difrakcijskih uzoraka.

Nasmiješim se entuzijazmu koji je uspio zadržati tako kasno u noć, kad sam zapalio sinkotron kako bih dobio slike kristala smještene u stanici B. Zadržavam dah dok se difrakcijski uzorci iz prvih nekoliko kutova pojavljuju na zaslonu, Nisu svi kristali difrakturirani, čak i ako sam sve savršeno podesio. Često je to zato što je svaki kristal sačinjen od mnogo još manjih kristala koji su spojeni, ili kristala koji sadrže previše nečistoća kako bi se stvorio ponavljajući kristalni uzorak koji možemo matematički riješiti.

Ako ovaj ne isporuči jasne slike, morat ću početi ispočetka i postaviti drugi. Srećom, u ovom slučaju, prvih nekoliko slika koje se pojavljuju pokazuju svijetle, jasne difrakcijske točke. Nasmiješim se i sjednem kako bih skupio ostatak podataka. Sada, dok se žiroskop vrtio i rendgenski snop raspršuje uzorak, imam nekoliko minuta da se opustim.

Popila bih malo kave da bih bila na oprezu, ali moje se ruke već tresu od preopterećenja kofeinom. Umjesto toga, nazovem Nicka: "Odvest ću se u krilo." Otišao sam do skupine tricikala u blizini. Obično se koristi samo da bi se zaobišao velika zgrada koja sadrži sinkrotron, i smatram da su jednako korisne za očajnički pokušaj da se probude s nekom vježbom.

Dok se vozim, mislim na kristal postavljen na žiroskopu. Mjesecima sam ga sintetizirao, a uskoro ću imati i sliku o tome. Sa slikom, shvatit ću jesu li izmjene koje sam napravila, koje ga čine malo drugačijim od drugih materijala koje sam napravio u prošlosti, uopće poboljšale. Ako vidim dokaze boljeg pakiranja ili povećane intermolekularne interakcije, to bi moglo značiti da je molekula dobar kandidat za testiranje u elektroničkim uređajima.

Iscrpljena, ali sretna jer skupljam korisne podatke, polako krećem oko petlje, primjećujući da je sinkrotron u velikoj potražnji. Kada se zračna linija odvija, ona se koristi 24/7, zbog čega radim preko noći. Imao sam sreće što sam uopće dobio vrijeme. Na drugim postajama, drugi istraživači poput mene rade do kasno u noć.

Ovaj članak je izvorno objavljen na razgovoru Kerry Rippy. Pročitajte izvorni članak ovdje.