Le scientifique du SLAC Alexander Reid, le premier utilisateur de l'instrument du laboratoire pour la diffraction ultrarapide des électrons (MeV-UED) depuis sa mise à disposition de la communauté internationale dans le cadre de l'installation LCLS, gère une carte d'échantillons interchangeable utilisée pour contenir des échantillons pendant les expériences UED. Crédit :Jacqueline Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory
Au cours des dernières années, le laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie a développé un nouvel outil pour visualiser les processus physiques et chimiques avec une clarté exceptionnelle :une « caméra à électrons » ultra-rapide capable de suivre les mouvements atomiques dans une large gamme de matériaux en temps réel. A partir de cette semaine, le laboratoire a mis cet outil à la disposition des chercheurs du monde entier.
L'outil est un instrument de diffraction électronique ultrarapide (MeV-UED). Il utilise un faisceau d'électrons hautement énergétiques pour sonder la matière et est particulièrement utile pour comprendre les processus atomiques se produisant sur des échelles de temps aussi courtes qu'environ 100 femtosecondes, millionièmes de milliardième de seconde. Ces instantanés rapides fournissent des informations complètement nouvelles sur les processus dans la nature et la technologie, bénéficiant d'applications en biologie, chimie, science des matériaux et autres domaines.
Le premier essai expérimental de l'instrument MeV-UED basé sur des propositions est prévu jusqu'en décembre de cette année et fournira ces puissants faisceaux d'électrons à 16 groupes d'utilisateurs de plus de 30 institutions. Les expériences se concentreront dans un premier temps sur la science des matériaux et états denses de la matière.
MeV-UED complète la suite de méthodes de pointe du laboratoire pour les études scientifiques ultrarapides, y compris le laser à rayons X phare du SLAC, la source de lumière cohérente Linac (LCLS). En utilisant toute l'étendue de ces méthodes, les scientifiques peuvent explorer des choses très différentes, aspects tout aussi importants des processus rapides.
"En réponse à un atelier du DOE sur l'avenir de la diffusion et de la diffraction des électrons en février 2014, Le SLAC a lancé une initiative de diffraction d'électrons ultrarapides dans le but de développer un instrument de premier plan dont les capacités compléteraient celles du LCLS, " dit Xijie Wang, directeur de l'instrument MeV-UED. « Rendre notre technique de pointe à la disposition de la vaste communauté scientifique et soutenir le programme du SLAC en science ultrarapide est une étape passionnante pour nous. »
L'instrument MeV-UED a été intégré à l'installation utilisateur LCLS, en plus des stations expérimentales utilisant les rayons X.
« Le rythme des progrès dans le développement et l'application de ce nouvel outil pour la science ultrarapide a été vraiment remarquable, " dit Mike Dunne, Directeur du LCLS. « Nous avons été ravis lorsque le Bureau des sciences fondamentales de l'énergie du ministère de l'Énergie a approuvé l'incorporation de MeV-UED dans LCLS, offrant un accès ouvert aux chercheurs des États-Unis et du monde entier à cette nouvelle capacité passionnante. »
Un catalyseur pour une science inégalée
Wang et son équipe perfectionnent la technologie depuis le début du programme en 2014. En cours de route, La recherche MeV-UED a conduit à un nombre considérable de publications à fort impact qui décrivent les découvertes dans les matériaux pour les cellules solaires et le stockage de données; fourni des films sans précédent de molécules vibrant et se désagrégeant; examiné les dommages causés par les radiations dans les matériaux des réacteurs à fusion nucléaire; et découvert des propriétés de matériaux exotiques fluctuants qui pourraient être utilisées dans les commutateurs moléculaires.
« Au cours des quatre dernières années, nous avons démontré que MeV-UED peut conduire à un changement de paradigme dans la diffraction ultrarapide des électrons, en partie en raison de sa polyvalence pour sonder une large gamme d'échantillons solides et gazeux, " dit Wang. " La haute énergie des électrons, qui est propre à notre instrument, a transformé la diffraction électronique ultrarapide d'une science qualitative à une science quantitative, et nos expériences sont maintenant utilisées pour valider les prédictions théoriques et pousser de nouveaux développements théoriques."
La dernière R&D de l'équipe est consacrée à l'exploration de la science dans les états liquides, l'environnement naturel pour de nombreux processus biochimiques, ainsi, les scientifiques pourront bientôt se concentrer encore plus sur certains des détails les plus captivants de la biologie et de la chimie.
Unir nos forces pour innover dans le domaine scientifique
Le plein potentiel du nouvel instrument devient encore plus clair lorsqu'il est combiné avec le laser à rayons X du laboratoire.
Avec LCLS, les scientifiques peuvent suivre les changements moléculaires qui se produisent extrêmement rapidement, en quelques femtosecondes seulement. Avec MeV-UED, ils peuvent dénicher des images nettes de molécules avec une résolution atomique inégalée au cours de ces réactions rapides. Les deux—une résolution extraordinaire dans l'espace et dans le temps—aident à développer une image complète des processus fondamentaux rapides.
Ceci est illustré par deux études d'une réaction chimique, dans lequel des molécules en forme d'anneau s'ouvrent en réponse à la lumière, un processus qui joue un rôle important dans la production de vitamine D dans notre corps. Il y a quelques années, les chercheurs ont réalisé un film moléculaire en utilisant LCLS, qui a fourni les tout premiers aperçus du fonctionnement de la réaction. Une étude plus récente, en utilisant MeV-UED, ajouté des détails supplémentaires en haute résolution.
Schéma du nouvel appareil du SLAC pour la diffraction ultrarapide des électrons - l'une des "caméras à électrons" les plus rapides au monde - les chercheurs peuvent étudier les mouvements dans les matériaux qui se produisent en moins de 100 quadrillions de seconde. Un faisceau d'électrons pulsé est créé par des impulsions laser brillantes sur une photocathode métallique. Le faisceau est accéléré par un champ radiofréquence et focalisé par une lentille magnétique. Ensuite, il traverse un échantillon et disperse les noyaux atomiques et les électrons de l'échantillon, créer une image de diffraction sur un détecteur. Les changements de ces images de diffraction au fil du temps sont utilisés pour reconstruire des mouvements ultrarapides de la structure intérieure de l'échantillon. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Ensemble, LCLS et MeV-UED forment une usine unique de photons et d'électrons à rayons X avec une relation symbiotique, et ils répondent aux vastes besoins de notre communauté scientifique, " déclare Mike Minitti, scientifique du LCLS, qui est en charge d'intégrer un processus de sélection sur proposition d'expériences à l'instrument MeV-UED, similaire au processus actuel d'examen des propositions de l'installation de radiologie.
Accueil de scientifiques du monde entier
Au cours des dernières années, tandis que l'équipe de Wang a construit son instrument à partir de zéro, certains groupes extérieurs ont été invités à réaliser des projets de recherche avec MeV-UED en collaboration avec l'équipe du SLAC.
Maintenant, Le SLAC a ouvert l'accès à l'instrument à pratiquement tout le monde. Les chercheurs peuvent soumettre des propositions d'expériences, qui sont ensuite évalués par un comité d'experts, classé et, en cas de succès, temps pour mener l'expérience. C'est de la même manière que le LCLS et les autres sources lumineuses à rayons X gèrent l'accès à leurs instruments.
Alors que les utilisateurs viendront du monde entier au cours des prochains mois, la première expérience sur l'instrument est réalisée par un chercheur impliqué dans MeV-UED depuis le début, conception de chambres d'échantillons pour matériaux solides. Alexandre Reid, chercheur au LCLS et au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), recueille des données cette semaine.
« C'est extrêmement gratifiant de voir le système MeV-UED, qui a commencé avec une attitude positive et beaucoup de pièces empruntées, devenir une véritable centrale de découverte scientifique, " dit Reid.
Reid étudie les phénomènes magnétiques à l'échelle nanométrique dans des matériaux comme le fer-platine, un matériau nouveau mais complexe qui est pertinent pour la mémoire de données basée sur le cloud et pourrait améliorer l'efficacité et la fiabilité du stockage de données. Mais avant que le matériau puisse être largement utilisé, les chercheurs doivent d'abord comprendre son comportement magnétique fondamental.
"Avec LCLS, nous pouvons obtenir une très bonne mesure de la façon dont le magnétisme change sur des échelles de temps très rapides. Avec l'UED, nous pouvons regarder la structure atomique du matériau et comment il réagit au magnétisme changeant, " dit Reid. " Mettre ces deux mesures ensemble fournit une image complète de ce que fait l'ensemble du système. "
