世界最強のX線レーザーが量子の秘密を解き明かす準備完了

世界で最も強力なレーザーの 1 つが、最近導入された最先端の X 線アップグレードのおかげで、原子の世界をさらに深く調べることができるようになります。スタンフォード大学の SLAC 国立加速器研究所は、リニアック コヒーレント光源 II (LCLS-II) の X 線自由電子レーザー (XFEL) コンポーネントの改良を発表しました。これにより、量子材料を検査するための「比類のない機能」が可能になり、13 年を超える開発期間を経て画期的な成果がもたらされました。

「この成果は10年以上にわたる研究の集大成です」と、LCLS-IIプロジェクトディレクターのグレッグ・ヘイズ氏は9月18日の声明で述べた。「これは、LCLS-IIのさまざまな要素がすべて調和して機能し、まったく新しい動作モードでX線レーザー光を生み出していることを示しています。」

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LCLS-II は「レーザー」という分類にもかかわらず、明るい光の点を生成する装置というよりも、巨大な顕微鏡と考えることができます。電源を入れると、XFEL は極めて明るい X 線光パルスを非常に速く生成し、電子、原子、分子の自然な時間スケールでの動作の詳細を捉えることができます。SLAC は世界初の物理 XFEL を構築し、粒子加速器を介して電子を室温の銅管に毎秒 120 パルスで発射することで 2009 年に運用を開始しました。

しかし、LCLS-II の XFEL は、1 秒間に 100 万もの X ​​線パルスを放出します。これは、前身の装置と比べて約 8,000 倍の頻度で、10,000 倍の明るさです。LCLS-II の記録破りの能力は、最先端の超伝導加速器に依存しています。この加速器は 37 個の極低温モジュールを使用して、その環境を驚異の -456 F まで冷却します。これは、宇宙空間の真空よりもさらに低く、絶対零度からわずか数度低い温度です。

SLAC の発表によると、科学者たちは LCLS-II のアップグレードを利用して量子物質の相互作用も研究する予定で、これは「普通ではない、しばしば直感に反する特性」を正確に調べるために極めて重要なことだ。これらの特性をより深く理解することで、超高速データ処理、よりエ​​ネルギー効率の高いデバイス、量子コンピューター、その他多数の技術革新につながる可能性がある。「タンパク質の複雑な動きから光合成の仕組みまで、LCLS-II は生物系をこれまで見たことのないほど詳細に解明するだろう」と SLAC の概要には書かれている。

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PopSci は、LCLS-II の基礎となる超伝導技術の進歩を数十年にわたって追ってきました。「絶対零度 (-459°F) に近い温度スケールのはるか下には、電流が一度動き出すと永遠に流れる『電気永久運動』、つまり超伝導の不思議な世界があります」とPopSci は1967 年に初めて説明しました。「材料とその冷却方法の新たな開発により、全国の研究室で本当に素晴らしいデバイスが形になりつつあります。」