В США создан самый мощный в мире рентгеновский лазер — с его помощью можно снять кино о жизни молекул и атомов в реальном времени
Национальная ускорительная лаборатория SLAC ввела в строй рентгеновский лазер LCLS-II, чья частота импульсов достигла миллиона в секунду. Это не просто рекордный показатель, а принципиальный скачок в разрешении — теперь исследователи смогут снимать «киноленту» движения атомов в реальном времени, наблюдая за тем, как формируются химические связи или меняется структура материала под воздействием света. Ученые, выстроившиеся в очередь на первые эксперименты, ожидают, что установка откроет новую эру в квантовой физике и фармакологии.
Как работает LCLS-II и чем он отличается от предшественника
Первый в мире рентгеновский лазер на свободных электронах (LCLS) заработал в SLAC еще в 2009 году. Он использовал медный волновод при комнатной температуре и выдавал до 120 вспышек в секунду. Этого хватало для получения статичных снимков атомарной структуры, но для наблюдения за быстрыми процессами — например, за перестройкой кристаллической решетки — требовалось на порядки больше мощности.
Ключевое отличие LCLS-II — криогенные ускорители электронов, охлажденные до сверхнизких температур. Это позволило поднять частоту импульсов в 8000 раз по сравнению с оригинальной конфигурацией. При этом старый медный волновод не утилизирован: обе установки будут работать в тандеме, покрывая расширенный диапазон энергий. Такой гибридный подход дает ученым возможность комбинировать сверхбыстрые съемки с высокоэнергетическими вспышками, получая полный набор данных для одного эксперимента.
Что изменится для научных исследований
Возможность следить за движением отдельных атомов в реальном времени кардинально меняет правила игры в нескольких дисциплинах. В материаловедении это позволит проектировать сверхпроводники с заданными свойствами, наблюдая за их работой в динамике. В биохимии — фиксировать, как фермент меняет форму при связывании с молекулой лекарства, что ускорит разработку препаратов. Для квантовых исследований, где поведение частиц часто контринтуитивно, LCLS-II станет инструментом верификации теорий.
В ближайшие недели на установке стартуют первые научные работы. Очередь из заявок от исследовательских групп уже сформирована, что подтверждает колоссальный спрос на инструмент такого уровня.
Предшественник LCLS проработал более десяти лет, позволив сделать ряд открытий в области фотохимии и физики конденсированного состояния. Модернизация обошлась в сотни миллионов долларов и заняла около десяти лет. В России параллельно строится комплекс «СКИФ» (Сибирский кольцевой источник фотонов), который также предназначен для синхротронных исследований, однако по ряду параметров он будет уступать LCLS-II в частоте импульсов.
Запуск LCLS-II означает, что мир вступает в фазу, когда эксперименты на уровне отдельных атомов перестают быть единичными достижениями и становятся рутинной практикой. Это повлияет не только на фундаментальную науку, но и на прикладные отрасли — от создания новых материалов для микроэлектроники до разработки таргетных лекарств. Для России, где пока нет аналога по частоте вспышек, это означает необходимость ускорения собственных проектов, чтобы не оказаться в позиции догоняющего в гонке за атомарным разрешением.
