ما بدأ كفكرة لبناء أسلحة لمشروع "حرب النجوم" للتعامل مع التهديدات الصاروخية في حقبة الثمانينات، أصبح اليوم بمثابة مجهر قوي غير مسبوق، قادر على خلق أشكال غريبة من المادة لا يمكن العثور عليها في أي مكان آخر في الكون. .
إذا وضعت ذرة أو جزيء أو حبة غبار في بؤرة أقوى ليزر للأشعة السينية في الكون، فلن يكون لديهم فرصة. سيقوم الإشعاع بتسخين المادة في أقل من جزء من المليار من الثانية إلى درجات حرارة أعلى من مليون درجة كلفن، وهي درجة الحرارة السائدة في هالة الشمس. فذرات النيون، على سبيل المثال، التي تعرضت لمثل هذا الإشعاع الشديد، فقدت جميع إلكتروناتها العشرة في ومضة، وبمجرد أن فقدت الغلاف الإلكتروني الذي يحميها، تناثرت بعيدًا عن الذرات القريبة. في نظر الفيزيائيين، يحمل طريق الدمار سحرًا غريبًا.
وهذه العملية مذهلة، لأن الليزر يتسبب في خروج الإلكترونات من الذرة من الداخل إلى الخارج. لا تتفاعل جميع الإلكترونات، التي تحيط بالنواة الذرية في أغلفة أو مدارات تشبه البصل، بشكل موحد مع شعاع الأشعة السينية. تكون الأغلفة الخارجية شفافة تقريبًا للأشعة السينية، لذا فإن الغلاف الداخلي هو الذي يمتص معظم الإشعاع، تمامًا مثل الطريقة التي تسخن بها القهوة في فرن الميكروويف قبل فترة طويلة من تسخين الكوب الذي يحتوي عليها. يتم إطلاق الإلكترونين الموجودين في الغلاف الأعمق، تاركين وراءهما مساحة فارغة؛ تصبح الذرة جوفاء. وفي غضون بضعة فيمتوثانية (جزء من مليون من المليار من الثانية)، يتم سحب إلكترونات أخرى وتحل محل الإلكترونات المفقودة، وتستمر هذه الدورة من تكوين مدار فارغ في نواة الذرة وملئه بالإلكترونات الخارجية حتى يكون هناك لم يتبق المزيد من الإلكترونات. تحدث هذه العملية في كل من الجزيئات المفردة وفي المادة الصلبة.
ولا تدوم حالة المادة الغريبة الناتجة أكثر من بضعة فمتوثانية. وفي المواد الصلبة، يتحلل إلى حالة متأينة، وهي البلازما، المعروفة باسم المادة الساخنة المضغوطة، والتي لا يمكن العثور عليها عادةً إلا في الظروف القاسية مثل مفاعلات الاندماج النووي وقلوب الكواكب العملاقة. إن البيئة قصيرة العمر ولكن القاسية التي تسود عند بؤرة شعاع الليزر من الأشعة السينية ليس لها مثيل على الأرض.
إن ليزر الأشعة السينية نفسه جدير بالملاحظة مثل الظاهرة الغريبة التي يكشف عنها. ويعمل الجهاز المسمى "Linac Coherent Light Source,LCLS" في مختبر المسرع الوطني الأمريكي بجامعة ستانفورد بالولايات المتحدة الأمريكية (SLAC). وتستحضر المنشأة ذكريات نظام الدفاع المضاد للصواريخ من الثمانينيات، "حرب النجوم"، الذي اقترح أتباعه استخدام أشعة الليزر في نطاق الأشعة السينية لاعتراض الصواريخ الباليستية والأقمار الصناعية. لكن وجود ليزر الأشعة السينية الواقعي هذا يعود الفضل فيه إلى مسرعات الجسيمات الكبيرة التي تم تطويرها في نفس الوقت تقريبًا لتحطيم الذرات. إن جهاز ليزر الأشعة السينية هو في الواقع تحويل لغرض جديد لواحد من أهم مسرعات الجسيمات الأمريكية، وهو المعجل الخطي SLAC، الذي تديره جامعة ستانفورد لصالح وزارة الطاقة الأمريكية. أنتجت هذه الآلة العديد من الاكتشافات وجوائز نوبل التي تركت الولايات المتحدة في طليعة فيزياء الجسيمات الأولية لعقود من الزمن. منذ تحويله في أكتوبر 80، إلى ليزر الأشعة السينية LCLS، أدى للفيزياء الذرية، وفيزياء البلازما، والكيمياء، وفيزياء الحالة المكثفة وعلم الأحياء الدور الذي لعبه مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، في مختبر CERN بالقرب من جنيف، يفي بفيزياء الجسيمات الأولية: فهو يوفر طريقة يمكن من خلالها تصادم العناصر الأساسية للطبيعة مع بعضها البعض باستخدام طاقات هائلة، وبالمناسبة إنشاء أشكال جديدة من المادة، مثل الذرات المجوفة، أو ببساطة مراقبة عالم الكم عن كثب. كما لو كان من خلال مجهر سريع وقوي. يمكن أن تكون نبضات الأشعة السينية LCLS قصيرة جدًا (فيمتوثانية واحدة) لدرجة أنها تجمد حركة الذرات، مما يسمح للفيزيائيين بمراقبة مسار التفاعلات الكيميائية في الوقت الفعلي. كما أن النبضات مشرقة جدًا، مما يسمح لنا بتصوير البروتينات والجزيئات البيولوجية الأخرى التي كان من الصعب جدًا دراستها حتى الآن باستخدام مصادر أخرى للأشعة السينية.
ظلال مبهمة
يجمع ليزر الأشعة السينية بين اثنتين من الأدوات الرئيسية التي يستخدمها علماء الفيزياء التجريبية اليوم: مصادر ضوء السنكروترون والليزر النبضي فائق التردد. السنكروترونات عبارة عن مسرعات للجسيمات مبنية مثل حلبات السباق. وتطلق الإلكترونات التي تتحرك داخلها على شكل دائرة الأشعة السينية التي تدخل إلى الأجهزة الموجودة حول الدائرة وتكون منظمة مثل أجنحة ريشة الورق. كرست نورا بيرا، إحدى مؤلفي هذه الورقة، حياتها المهنية لاستخدام الأشعة السينية السنكروترونية لسبر أعماق الذرات والجزيئات والأنظمة النانوية. تعتبر الأشعة السينية مثالية لهذا الغرض. أطوالها الموجية هي في حدود حجم الذرات، وبالتالي فإن الذرات تلقي بظلالها عندما تضاء بحزمة من الأشعة السينية. كما يمكن ضبط الأشعة السينية بحيث تتمكن من اكتشاف أنواع معينة من الذرات - على سبيل المثال، ذرات الحديد فقط - ومعرفة مكان تواجدها داخل مادة صلبة أو داخل جزيء كبير مثل الهيموجلوبين. (الحديد هو المسؤول عن اللون الأحمر للدم).
ومع ذلك، هناك شيء واحد لا تستطيع الأشعة السينية السنكروترونية القيام به: وهو تتبع حركة الذرات داخل الجزيء أو الجسم الصلب. كل ما نراه هو سحابة خافتة. النبضات طويلة جدًا أو غير ساطعة بدرجة كافية. لا يمكن لمصدر السنكروترون محاكاة الجزيئات إلا إذا تم ترتيبها في مصفوفة بلورية، حيث تحتفظ القوى المحلية بالملايين منها في صفوف محددة، مثل الجنود المتماثلين في التشكيل.
من ناحية أخرى، فإن الليزر أكثر سطوعًا لأنه ينتج ضوءًا متماسكًا: فالمجال المغناطيسي داخل الليزر لا يتغير بشكل كبير مثل سطح البحر العاصف، ولكنه يتأرجح في تذبذبات سلسة بمعدل منتظم ومضبوط. بفضل التماسك، يمكن لأشعة الليزر تركيز طاقة هائلة على نقطة صغيرة ويمكن تشغيلها وإيقافها في مدة لا تزيد عن فمتوثانية. يستخدم بوكباوم، المؤلف الثاني للمقال، نبضات الليزر الضوئية التي يتم توليدها بمعدلات فائقة السرعة كمعادل للأضواء المبهرة، وهي أضواء تومض بتردد ثابت، وبالتالي تسمح برؤية الأجسام المتأرجحة كما لو كانت ثابتة في المكان. وبمساعدتهم، يدرس حركة الذرات ومراحل التفاعلات الكيميائية.
لكن الليزر العادي يعمل في نطاق الضوء المرئي أو في أطوال موجية قريبة منه، وهي أكبر بأكثر من 1,000 مرة من الطول الموجي اللازم لتحليل الذرات المفردة. وكما أن رادار المطر قادر على رؤية عاصفة ممطرة ولكنه غير قادر على فصل القطرات، فإن أشعة الليزر العادية قادرة على رؤية كيفية تحرك مجموعات الذرات ولكنها غير قادرة على التمييز بين الذرات. لكي يلقي الضوء ظلًا حادًا، يجب أن يكون طوله الموجي صغيرًا على الأقل مثل طول الجسم المرصود. ولهذا السبب نحتاج إلى أشعة ليزر سينية.
بشكل عام، يتغلب ليزر الأشعة السينية على العيوب التي تشكلها الأدوات الموجودة لتصوير المواد على أصغر المقاييس. لكن بناء مثل هذا الجهاز ليس بالمهمة السهلة على الإطلاق.
أشعة الموت
كانت هناك أوقات بدت فيها فكرة بناء ليزر الأشعة السينية بعيدة المنال، حيث كان حتى بناء ليزر عادي يمثل تحديًا. تعمل أجهزة الليزر القياسية لأن الذرات تشبه البطاريات الصغيرة: يمكنها امتصاص وتخزين وإطلاق كميات صغيرة من الطاقة على شكل فوتونات أو جسيمات ضوئية. تطلق الذرات عادةً الطاقة التي تلقتها تلقائيًا، ولكن في أوائل القرن العشرين، اكتشف ألبرت أينشتاين طريقة لتحفيز الإطلاق، وهي عملية تُعرف باسم الانبعاث القسري. إذا جعلت الذرة تمتص كمية معينة من الطاقة ثم ضربتها بفوتون يحتوي على نفس الكمية من الطاقة، فستكون الذرة قادرة على إطلاق الطاقة التي امتصتها في المقام الأول وإنشاء نسخة من الفوتون. يستمر الفوتونان (الأصلي والمستنسخ) في إطلاق الطاقة من زوج آخر من الذرات، وهكذا، حتى يتم إنشاء جيش من المستنسخات في تفاعل متسلسل أسي. والنتيجة هي أشعة الليزر.
ومع ذلك، حتى عندما تكون الظروف مناسبة، فإن الذرات لا تحبس الفوتونات دائمًا. إن احتمال أن تبعث ذرة معينة فوتونًا عند اصطدامها بفوتون آخر هو احتمال منخفض جدًا، ومن المرجح أن تطلق الذرة طاقتها تلقائيًا قبل حدوث ذلك. يتغلب الليزر العادي على هذا القيد من خلال عملية تسمى "استخراج الطاقة" التي تجهز الذرات للعمل ومن خلال استخدام المرايا التي ترسل الضوء المستنسخ يندفع للأمام والخلف، ويلتقط جنودًا جددًا على طول الطريق. في ليزر الهليوم النيون النموذجي المستخدم في ماسحات الباركود في السوبر ماركت، يصطدم تيار مستمر من الإلكترونات مع ذرات الغاز، ويتم إعادة تدوير كل فوتون من الضوء 200 مرة عن طريق الارتداد ذهابًا وإيابًا بين المرايا.
مع استخدام ليزر الأشعة السينية، تصبح كل خطوة من هذه الخطوات أكثر تعقيدًا. قد يحتوي فوتون الأشعة السينية على طاقة أكبر بـ 1,000 مرة من الفوتون الضوئي، لذلك يجب على كل ذرة أن تمتص طاقة أكثر بـ 1,000 مرة. ولا تحتفظ الذرات بطاقتها لفترة طويلة. والأكثر من ذلك، من الصعب الحصول على مرايا الأشعة السينية. وعلى الرغم من أن هذه الإخفاقات ليست أساسية، إلا أنه لا يزال من الضروري استثمار كمية هائلة من الطاقة لتهيئة الظروف لإنتاج الليزر (للالساحة).
في الواقع، حصل أول ليزر أشعة سينية على طاقته من اختبار قنبلة نووية تحت الأرض. تم بناؤه لمشروع سري حصل على الاسم الرمزي "Excalibur" وتم تنفيذه في مختبر لورانس الوطني الأمريكي في مدينة ليفرمور شرق سان فرانسيسكو. لا يزال المشروع سريًا، على الرغم من أن الكثير من المعلومات المتعلقة به قد تم الكشف عنها بالفعل للجمهور. وكان الجهاز أحد مكونات مبادرة الدفاع الاستراتيجي التي أطلقها الرئيس السابق رونالد ريغان في الثمانينيات، والتي أطلق عليها اسم "حرب النجوم"، وكان من المفترض أن يعمل بمثابة شعاع الموت الذي يعترض الصواريخ والأقمار الصناعية.
خلال نفس العقد، قام مختبر لورانس في ليفرمور أيضًا ببناء أول نسخة مختبرية غير نووية من ليزر الأشعة السينية، مدعومًا بالليزرات الضوئية القوية المصممة لاختبار خصائص الأسلحة النووية. ومع ذلك، كانت هذه الأجهزة غير عملية كأدوات بحثية، وبدا من غير المرجح أن يتم استخدام أشعة الليزر بالأشعة السينية بشكل روتيني في التطبيقات العلمية.
الحركة في الخط
إن الإنجازات التي سمحت للباحثين بتطوير أشعة ليزر الأشعة السينية للاستخدام المدني جاءت من مؤسسة أخرى في خليج سان فرانسيسكو، والتي استخدمت جهازًا مخصصًا لغرض مختلف تمامًا. في ستينيات القرن الماضي، قامت جامعة ستانفورد ببناء أطول مسرع إلكترون في العالم، وهو هيكل يبلغ طوله ثلاثة كيلومترات، ويبدو عند النظر إليه من الفضاء وكأنه إبرة تخرج من الجبال وتشير إلى قلب الحرم الجامعي. يقوم المعجل الخطي SLAC (مركز المسرع الخطي في ستانفورد) بتسريع مجموعات مضغوطة من الإلكترونات إلى سرعات قريبة جدًا من سرعة الضوء (أقرب إلى سنتيمتر واحد في الثانية). حصلت هذه الآلة على ثلاث جوائز نوبل للاكتشافات التجريبية في فيزياء الجسيمات.
ومع ذلك، فقد وصل المسرع إلى نهاية عمره كآلة مفيدة، ويقوم علماء فيزياء الجسيمات اليوم باكتشافاتهم في مصادم الهادرونات الكبير في سويسرا. قبل عشر سنوات، قررت إدارة العلوم التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، وهي الوكالة الأم لجامعتي ستانفورد وSLAC، تحويل جزء من الآلة المتقادمة إلى ليزر أشعة سينية. قام SLAC بتجهيز المسرع بنفس الجهاز المستخدم لإنتاج الأشعة السينية في السنكروترونات الحديثة: جهاز يسمى المموج.
تتكون المموجات من سلسلة من المغناطيسات التي تولد مجالات مغناطيسية متغيرة. تتأرجح الإلكترونات التي تتحرك عبر الموجات المتموجة وتنبعث منها الأشعة السينية. في السنكروترونات، وهي عبارة عن حلقات مغلقة، بمجرد أن تترك الإلكترونات المذبذب، تنحني مساراتها وتصبح منحنية. وبذلك يتم إزالة الجزيئات من مسار الأشعة السينية، والتي يتم توجيهها إلى المحطات التجريبية. تستمر الإلكترونات في التحرك على طول مسار السباق، مُصدرة دفقة من الأشعة السينية في كل مرة تمر عبر المموج.
لكن SLAC عبارة عن معجل ذو خط مستقيم، وعاكسه طويل بشكل غير عادي (130 مترًا). تتحرك الإلكترونات على نفس المسار الذي تتحرك به الفوتونات وبنفس السرعة تقريبًا. والنتيجة هي سباق سيارات تصادم دون ذري. لا تستطيع الإلكترونات أن تتحرك بعيدًا عن طريق الفوتونات في مجال الأشعة السينية المنبعثة منها، لذا فإن الفوتونات "تضربها" من الجانب مرارًا وتكرارًا. وبالتالي، فإن الفوتونات تتسبب في إصدار الإلكترونات لفوتونات مستنسخة من الأشعة السينية من خلال عملية الانبعاث القسري.
ليست هناك حاجة للمرايا لجعل الضوء يرتد ذهابًا وإيابًا عبر الإلكترونات، لأنها تتحرك معًا. كل ما هو مطلوب لإنتاج الليزر هو شعاع قوي من الإلكترونات السريعة ومساحة كبيرة بما يكفي لاستيعاب مموج طويل. وفي SLAC يمكنك العثور على كليهما. إذا قمت بترتيب كل شيء بشكل مثالي، أكثر أو أقل، فسوف يظهر شعاع ساطع بشكل مدهش من الأشعة السينية. وفي نهاية الخط، يتم تحويل مسار الإلكترون، وتدخل الفوتونات إلى المحطات التجريبية. المصطلح التقني لهذا النظام هو ليزر الإلكترون الحر.
على الرغم من عدم استخدام LCLS كمدفع لـ "Star Wars"، إلا أنه لا يزال جهازًا وحشيًا. أعلى قوة مركزة تم الوصول إليها، 1018 واط لكل متر مربع، هي أكبر بعدة مليارات المرات من مصادر ضوء السنكروترون. يمكن أن يقطع الليزر الفولاذ. يمكن أن يكون مجالها الكهرومغناطيسي المتذبذب أقوى بـ 1,000 مرة من المجالات التي تربط الذرات معًا في الجزيئات.
كمادة في يد الخالق
الطلب على الليزر كبير جدًا لدرجة أن جدوله الزمني يسمح لمقترح بحث واحد على الأكثر من كل أربعة باستخدامه. يعمل العلماء الدائمون في المختبر مع مجموعات كبيرة زائرة من الطلاب وباحثي ما بعد الدكتوراه وكبار العلماء في سباقات الماراثون المزدحمة، لمدة 12 ساعة يوميًا لمدة خمسة أيام. كل ميكروثانية لها أهميتها.
تفتح لنا أشعة الليزر السينية مجالات بحثية واسعة النطاق. لإعطائك فكرة عن الاحتمالات، سنركز هنا على مشكلتين علميتين تهمنا بشكل خاص: كيف تتصرف المادة في ظل الظروف القاسية وما يمكن تعلمه من التصوير فائق السرعة للجزيئات. هناك علاقة وثيقة بين هاتين المشكلتين وبين العمليات الأساسية التي تتم دراستها في الفيزياء الذرية والجزيئية والبصرية، وهو مجال خبرتنا.
عندما يقوم LCLS بإنشاء ذرات مجوفة في الجزيئات والمواد الصلبة، فإنه يستفيد من ميل الإلكترونات من الأغلفة الخارجية للذرة إلى السقوط لتحل محل الإلكترونات المفقودة من الأغلفة الداخلية. وتستمر هذه الظاهرة، المعروفة باسم استرخاء أوجيه، لعدة فمتوثانية. لذلك، إذا قمنا بإشعاع النظام بنبضة من الأشعة السينية يبلغ طولها فمتوثانية واحدة، فلن يكون لدى أي إلكترون خارجي الوقت الكافي للسقوط في الأماكن المجوفة في الغلاف الداخلي. في ظل هذه الظروف، ستكون الذرات المجوفة شفافة لأي فوتون إضافي للأشعة السينية، حتى لو كانت شدتها عالية جدًا. لقد اكتشفنا هذه الشفافية المجوفة في LCLS، ليس فقط في الذرات، ولكن أيضًا في الجزيئات وعينات أكبر من المادة.
وبحسب النظرية فمن الممكن أن تصل درجات الحرارة داخل الكواكب العملاقة مثل المشتري مثلا إلى 20,000 ألف درجة كلفن، أي أربعة أضعاف درجة حرارة سطح الشمس. من المحتمل أن يصل الهيدروجين والهيليوم، المكونان الرئيسيان للكوكب، إلى حالات تجميع صلبة غريبة هناك، بكثافات وهياكل شديدة. ومع ذلك، لا يُعرف سوى القليل جدًا عن التفاصيل. وحتى قوة المادة، أي ضغطها استجابة للضغط، ليس من السهل قياسها وليست مفهومة جيدًا من المبادئ الأساسية. وحتى الآن، اعتمدت الأبحاث في هذا المجال بشكل كبير على النماذج النظرية. تم إجراء عدد قليل فقط من التجارب التي يمكن أن تؤكد النماذج.
حاولت بعض التجارب الأولى التي أجريت في LCLS إعادة خلق هذه الظروف المعادية. يمكن لقوة الليزر الكبيرة أن تسخن المادة بسرعة مذهلة، وبالمناسبة تخلق تأثيرات غير عادية. على سبيل المثال، لاحظنا لأول مرة عدة أشعة سينية تصطدم ببعضها البعض جزيئات مكونة من عدة ذرات، وتطلق منها إلكترونات مرتبطة بإحكام بنواة الذرة، وهي عملية تسمى امتصاص الفوتون المتعدد. يمكن لكثافة الفوتون العالية أيضًا إزالة بعض الإلكترونات من ذرة واحدة أو جزيئات أو مواد صلبة، وتحولها إلى تجاويف كما هو موضح هنا، في عملية تسمى الامتصاص التسلسلي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للأشعة السينية الساطعة أن تكسر بسرعة جميع الروابط في الجزيئات المتوقع وجودها داخل الكواكب العملاقة، بما في ذلك الماء والميثان والأمونيا. ساعدت قياسات المادة في ظل الظروف القاسية في تحديد معادلة الحالة - وهي الصيغة التي تحكم الكثافة ودرجة الحرارة والضغط - في قلوب الكواكب العملاقة وأثناء اصطدام النيازك.
تنفجر البروتينات
أما الخط الثاني من البحث ـ استخدام الليزر ككاميرا سريعة للأشعة السينية لمحاكاة الجزيئات وتسجيل أفلام الديناميكيات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية ـ فهو يسد فجوة خطيرة في معرفتنا. إن المعرفة المتوفرة لدى الباحثين فيما يتعلق ببنية العديد من الجزيئات البيولوجية ضعيفة بشكل مثير للقلق، ولا سيما فيما يتعلق بالجزيئات الموجودة على غشاء الخلية والاقترانات الجزيئية الكبيرة للجزيئات العملاقة. في الطريقة المعتادة، علم البلورات، الخطوة الأولى هي زراعة بلورة تكون كبيرة ومثالية بما يكفي لتكون قادرة على التسبب في خضوع شعاع الأشعة السينية الصادر عن السنكروترون للحيود. يكشف النمط الناتج عن بنية الجزيء. عيب هذه الطريقة هو أن الأشعة السينية تلحق الضرر بسهولة بالجزيئات التي تختبرها. ولذلك يجب على الباحثين إعداد بلورات كبيرة لتعويض العيوب، ولكن من الصعب جدًا بلورة العديد من الجزيئات المثيرة للاهتمام، مثل بروتينات غشاء الخلية. كما أن طريقة السنكروترون لا تسمح بمعدل نبض سريع، لذلك من المستحيل ملاحظة الظواهر العابرة التي تحدث على المقاييس الكيميائية للفيمتو ثانية.
للوهلة الأولى، يبدو أن LCLS هي الأداة الأقل ملاءمة لهذه المهمة. قوتها أكبر بعدة مليارات المرات من قوة مصادر ضوء السنكروترون، لذا فإن المواد الهشة مثل البروتينات أو الأنظمة غير البلورية لن تتمكن من الصمود ولو لنبضة واحدة من أشعتها السينية دون أن تنفجر وتتحول إلى حساء بلازما ساخن. . لكن من المفارقات أن هذه القوة التدميرية هي بالضبط ما نحتاجه. ونظرًا لأن النبضة قصيرة جدًا ومشرقة، فيمكنها التقاط صورة في وقت أقل مما يستغرقه انفجار الجزيء. ولذلك، على الرغم من أن الليزر يمحو العينة، فإنه يكفي التقاط صورة واضحة للجزيء قبل إزالته مباشرة.
وهذا المفهوم، المسمى بالتجاوز قبل التدمير، بدأ يؤتي ثماره بالفعل. وقد استخدم العلماء علم البلورات بالفيمتو ثانية لتسجيل أنماط حيود البلورات النانوية والبروتينات والفيروسات [انظر الإطار في الصفحتين 58 و59]. في العمل الأخير، رسم العلماء خريطة لبنية البروتينات المرتبطة بمرض النوم، وهو مرض فتاك تسببه طفيليات وحيدة الخلية.
والآن بعد أن أصبح LCLS رائدًا في هذه التكنولوجيا، تخطط المختبرات في أوروبا وآسيا أيضًا لبناء أجهزة ليزر أشعة سينية حرة الإلكترون. سيكون هذا الجيل الجديد من الآلات أكثر استقرارًا وسيوفر تحكمًا أفضل في الشعاع. أحد الأهداف المهمة بشكل خاص هو إنشاء نبضات أشعة سينية أقصر. إذا كان لدينا نبضات تبلغ 0.1 فيمتوثانية (100 أتوثانية، أي 10-18 جزءًا من الثانية)، فقد نتمكن من البدء في ملاحظة ليس حركة الذرات فحسب، بل أيضًا حركة الإلكترونات داخل الذرات والجزيئات. قد تسمح لنا الأجهزة الجديدة بالتحكم في هذه الحركة. إن حلم صناعة أفلام توضح كيفية تفكك الروابط الكيميائية وكيفية تشكل روابط جديدة أصبح الآن في متناول أيدينا.
__________________________________________________________________________________________________
عن المؤلفين
نورا بيره، رئيسة قسم الفيزياء في جامعة كونيتيكت، تقود الاختبارات البحثية وتدير بناء الأجهزة المتقدمة في ليزر الأشعة السينية LCLS. مجال خبرة بيرا هو دراسة التفاعلات بين الفوتونات والذرات والجزيئات وأنظمة النانو. وهي زميلة أبحاث في الجمعية الفيزيائية الأمريكية وحاصلة على جائزة دافيسون-جيرمر للبحث في الفيزياء الذرية أو فيزياء السطح، وهي واحدة من أرفع الأوسمة في هذا المجال.
يشغل فيليب إتش. باكسبوم كرسي مارغريت بليك ويلبر في العلوم الطبيعية في جامعة ستانفورد وفي SLAC، حيث يدير معهد PULSE المخصص للبحث باستخدام الليزر فائق السرعة وLCLS. وهو زميل باحث في الجمعية الفيزيائية الأمريكية وعضو في الأكاديمية الوطنية للعلوم والأكاديمية الأمريكية للفنون والعلوم.
باختصار
لطالما كانت أشعة الليزر السينية أحد العناصر الأساسية في الخيال العلمي، لكن أول ليزر أشعة سينية مخصص للأغراض العلمية بدأ العمل في جامعة ستانفورد، كمنشأة تابعة لقسم العلوم التابع لوزارة الطاقة، منذ أربع سنوات فقط. يُعرف باسم "مصدر الضوء الخطي المتماسك" (LCLS)، وتأتي الطاقة اللازمة لتشغيله من أكبر معجل جسيمات خطية في العالم في مختبر المسرع الوطني الأمريكي SLAC.
تم إنشاء الحالات الغريبة للمادة التي لا تظهر في أي مكان آخر في الكون عن طريق تعريض الذرات والجزيئات والمواد الصلبة لنبضات الأشعة السينية عالية الكثافة.
وقام الليزر، الذي يستخدم أيضًا كضوء فلاش، بتجميد حركة الذرات، والتقاط صور سريعة جدًا للبروتينات والفيروسات، وتسجيل التحولات الفيزيائية والكيميائية التي تدوم أقل من جزء من المليار من الثانية.
المزيد عن هذا الموضوع
استجابة الفيمتو ثانية الإلكترونية للذرات للأشعة السينية فائقة الشدة. لام يونغ وآخرون. في الطبيعة، المجلد. 466، الصفحات 56-61؛ 1 يوليو 2010.
تصوير البلورات النانوية للبروتين بالأشعة السينية بالفيمتو ثانية. هنري ن. تشابمان وآخرون. في الطبيعة، المجلد. 470، الصفحات 73-77؛ 3 فبراير 2011.
تم اعتراض جزيئات Mimivirus الفردية وتصويرها باستخدام ليزر الأشعة السينية. م. مارفن سيبرت وآخرون. في الطبيعة، المجلد. 470، الصفحات 78-81؛ 3 فبراير 2011.
التحليل الطيفي ذو الفتحة المزدوجة للتحليل الكيميائي باستخدام ليزر الفيمتو ثانية المكثف للأشعة السينية. ن. بيره وآخرون. في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم بالولايات المتحدة الأمريكية، المجلد. 108، لا. 41، الصفحات 16,912،16,915-11،2011؛ XNUMX أكتوبر XNUMX.
إنشاء وتشخيص البلازما ذات الكثافة الصلبة باستخدام ليزر الأشعة السينية الخالي من الإلكترون. سم فينكو وآخرون. في الطبيعة، المجلد. 482، الصفحات 59-63؛ 2 فبراير 2012.
تم تحديد هيكل المثقبيات البروسية Cathepsin B المانع محليًا باستخدام ليزر الأشعة السينية. لارس ريديكي وآخرون. في العلوم، المجلد. 339، الصفحات 227-230؛ 11 يناير 2013.
شاهد الرسوم المتحركة لأشعة إكس القوية التي تفجر الذرات العاجزة وقم بالتعليق على المقال على الموقع الإلكتروني لمجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل.
تم نشر المقال بإذن من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل
