Il laser a raggi X più luminoso del mondo sta per essere completato

Gli scienziati del National Accelerator Laboratory SLAC del Dipartimento dell’Energia stanno dando gli ultimi ritocchi a quello che diventerà il laser più luminoso del mondo. Chiamato Linac Coherent Light Source II (LCLS-II), sarà 10.000 volte più luminoso del suo predecessore, una volta che sarà operativo.

Attualmente, in costruzione a circa 30 piedi (9 metri) sottoterra vicino alla Stanford University, il laser promette di aiutare i fisici a svelare alcune delle incognite fondamentali sul nostro universo. L’apparato laser si estende per circa 2 miglia (3,2 km) in un tunnel appositamente scavato.

Il suo predecessore, Linac Coherent Light Source I (LCLS-I) è entrato in funzione nel 2009 ed è in grado di creare un raggio capace di 120 impulsi di luce al secondo. LCLS-II, tuttavia, batte questo record essendo in grado di produrre 1 milione di impulsi al secondo.

“Penso che sia assolutamente giusto dire che LCLS-II inaugurerà una nuova era della scienza”, ha affermato a CNET il Dr. James Cryan, uno scienziato dello SLAC in un tour esclusivo della nuova struttura.

A tal fine, LCLS-II funzionerà un po’ come un microscopio ma con una risoluzione a livello atomico. Il cuore del dispositivo è un potente acceleratore di particelle che accelera le particelle cariche e le incanala in un raggio molto potente.

Questo raggio passerà quindi attraverso una serie di magneti alternati (chiamati ondulatori), per produrre raggi X. Gli scienziati possono usare quei raggi X per creare quelli che chiamano “film molecolari”. Puoi pensare a questi come istantanee di atomi o molecole in movimento che catturano ogni “immagine” in pochi quadrilionesimi di secondo e legati insieme come un film.

Il predecessore del nuovo laser, sebbene più lento nello scattare queste istantanee, ha permesso agli scienziati di tutto il mondo di fare scoperte molto interessanti e importanti in passato. Ciò ha incluso cose come osservare le reazioni chimiche mentre si verificavano, dimostrare il comportamento degli atomi all’interno delle stelle e produrre istantanee dal vivo che dettagliano il processo di fotosintesi. La capacità di acquisire immagini a intervalli di femtosecondi con il nuovo laser, secondo Andrew Burrill, direttore del laboratorio associato dello SLAC, rappresenterà un vero punto di svolta.

“Se pensi a una luce stroboscopica che si accende 120 volte, vedi un’immagine. Se si accende un milione di volte in un secondo, ottieni un’immagine molto diversa. In questo modo puoi creare un film molto migliore”, ha affermato.

Il nuovo laser è una bestia completamente diversa dal suo predecessore

La velocità con cui LCLS-II è in grado di scattare istantanee non è l’unica differenza tra il nuovo laser e il suo predecessore.

Sebbene entrambi i dispositivi accelerino gli elettroni quasi alla velocità della luce, ciascuno lo fa in un modo diverso. L’LCLS-I, ad esempio, spinge gli elettroni in un tubo di rame a temperatura ambiente. Questo va bene per brevi raffiche, ma non è l’ideale per il funzionamento continuo.

È qui che entra in gioco il nuovo laser. Il funzionamento continuo del tipo necessario per LCLS-II genera molto calore. Le cavità di rame convenzionali, come quelle usate in LCLS-I, rimuoverebbero troppo di questo calore, quindi gli ingegneri si sono rivolti a un nuovo acceleratore superconduttore.

Il nuovo materiale è costituito da dozzine di dispositivi lunghi 12 metri chiamati criomoduli progettati per funzionare a due gradi sopra lo zero assoluto (-456 gradi Fahrenheit). Sono mantenuti alla temperatura di esercizio da un enorme impianto criogenico fuori terra.

Tutto questo kit consentirà, secondo Cryan, agli scienziati SLAC di rispondere a domande fondamentali come “Come avviene il trasferimento di energia all’interno dei sistemi molecolari? Come avviene il trasferimento di carica?”

“Una volta compresi alcuni di questi principi, possiamo iniziare ad applicarli per capire come possiamo fare la fotosintesi artificiale, come possiamo costruire celle solari migliori”, continua.

Gli scienziati SLAC sperano di poter accendere il nuovo laser nel nuovo anno e sperano di generare i primi raggi X in estate. Sarà interessante vedere quali segreti dell’universo LCLS-II svelerà nel 2022 e oltre.