Negli ultimi anni, lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha sviluppato un nuovo strumento per visualizzare i processi fisici e chimici con una chiarezza eccezionale:una "telecamera elettronica" ad altissima velocità in grado di tracciare i movimenti atomici in un'ampia gamma di materiali in tempo reale. A partire da questa settimana, il laboratorio ha messo questo strumento a disposizione dei ricercatori di tutto il mondo.

Lo strumento è uno strumento per la diffrazione elettronica ultraveloce (MeV-UED). Utilizza un fascio di elettroni altamente energetici per sondare la materia ed è particolarmente utile per comprendere i processi atomici che si verificano su scale temporali di circa 100 femtosecondi, milionesimi di miliardesimo di secondo. Queste rapide istantanee forniscono informazioni completamente nuove sui processi naturali e tecnologici, vantaggiose applicazioni in biologia, chimica, scienza dei materiali e altri campi.

La prima corsa sperimentale guidata dalla proposta dello strumento MeV-UED è prevista per dicembre di quest'anno e fornirà quei potenti fasci di elettroni a 16 gruppi di utenti provenienti da oltre 30 istituzioni. Gli esperimenti si concentreranno inizialmente sulla scienza dei materiali e su stati densi della materia.

MeV-UED integra la suite del laboratorio di metodi leader a livello mondiale per gli studi di scienza ultraveloce, compreso il laser a raggi X di punta di SLAC, la sorgente luminosa coerente Linac (LCLS). Utilizzando l'intera gamma di questi metodi, gli scienziati possono esplorare molto diversi, ma aspetti ugualmente importanti dei processi veloci.

"In risposta a un workshop del DOE sul futuro della diffusione e della diffrazione degli elettroni nel febbraio 2014, SLAC ha lanciato un'iniziativa di diffrazione elettronica ultraveloce con l'obiettivo di sviluppare uno strumento leader a livello mondiale le cui capacità integrerebbero quelle di LCLS, "dice Xijie Wang, direttore dello strumento MeV-UED. "Rendere la nostra tecnica all'avanguardia a disposizione dell'ampia comunità scientifica e supportare il programma SLAC nella scienza ultraveloce è una pietra miliare entusiasmante per noi".

Lo strumento MeV-UED è stato incorporato nella struttura utente LCLS, aggiungendo alle stazioni sperimentali che utilizzano i raggi X.

"Il ritmo dei progressi nello sviluppo e nell'applicazione di questo nuovo strumento per la scienza ultraveloce è stato davvero notevole, "dice Mike Dunne, Direttore LCLS. "Siamo stati felici quando l'Ufficio per le scienze energetiche di base del Dipartimento dell'Energia ha approvato l'incorporazione di MeV-UED in LCLS, fornendo un accesso aperto ai ricercatori di tutti gli Stati Uniti e di tutto il mondo a questa nuova entusiasmante capacità".

Un catalizzatore per una scienza senza pari

Wang e il suo team hanno perfezionato la tecnologia dall'inizio del programma nel 2014. Lungo la strada, La ricerca MeV-UED ha portato a un numero considerevole di pubblicazioni di grande impatto che descrivono scoperte in materiali per celle solari e archiviazione dati; fornito film senza precedenti di molecole che vibrano e si frantumano; ha esaminato il danno da radiazioni nei materiali per i reattori a fusione nucleare; e hanno scoperto proprietà di materiali fluttuanti esotici che potrebbero essere utilizzati negli interruttori molecolari.

"Negli ultimi quattro anni, abbiamo dimostrato che MeV-UED può portare a un cambio di paradigma nella diffrazione elettronica ultraveloce, in parte grazie alla sua versatilità per sondare un'ampia gamma di campioni solidi e gassosi, " dice Wang. "L'alta energia degli elettroni, che è unico per il nostro strumento, ha trasformato la diffrazione elettronica ultraveloce da una scienza qualitativa a una quantitativa, e i nostri esperimenti sono ora impiegati per convalidare le previsioni teoriche e promuovere nuovi sviluppi teorici".

L'ultima ricerca e sviluppo del team è dedicata all'esplorazione della scienza negli stati liquidi, l'ambiente naturale per molti processi biochimici, così gli scienziati saranno presto in grado di approfondire ancora di più alcuni dei dettagli più avvincenti della biologia e della chimica.

Unire le forze per aprire nuovi orizzonti scientifici

Il pieno potenziale del nuovo strumento diventa ancora più chiaro se combinato con il laser a raggi X del laboratorio.

Con LCLS, gli scienziati possono monitorare i cambiamenti molecolari che si verificano in modo estremamente rapido, entro pochi femtosecondi. Con MeV-UED, possono portare alla luce immagini nitide di molecole con una risoluzione atomica senza precedenti durante queste reazioni rapide. Entrambi, risoluzione straordinaria nello spazio e nel tempo, aiutano a sviluppare un quadro completo dei rapidi processi fondamentali.

Ciò è esemplificato da due studi di una reazione chimica, in cui le molecole a forma di anello si aprono in risposta alla luce, un processo che svolge un ruolo importante nella produzione di vitamina D nel nostro corpo. Alcuni anni fa, i ricercatori hanno realizzato un film molecolare utilizzando LCLS, che ha fornito i primi sguardi sul funzionamento della reazione. Uno studio più recente, utilizzando MeV-UED, aggiunti ulteriori dettagli ad alta risoluzione.

"Insieme, LCLS e MeV-UED formano una fabbrica di fotoni ed elettroni a raggi X con una relazione simbiotica, e rispondono alle vaste esigenze della nostra comunità scientifica, " dice lo scienziato LCLS Mike Minitti, chi è incaricato di integrare un processo di selezione basato su proposta per gli esperimenti allo strumento MeV-UED, simile al processo di revisione della proposta esistente della struttura a raggi X.

Scienziati di benvenuto da tutto il mondo

Negli anni passati, mentre il team di Wang ha costruito il suo strumento da zero, alcuni gruppi esterni sono stati invitati a svolgere progetti di ricerca con MeV-UED in collaborazione con il team SLAC.

Ora, SLAC ha aperto l'accesso allo strumento praticamente a tutti. I ricercatori possono presentare proposte per esperimenti, che vengono poi valutati da una commissione di esperti, classificato e, in caso di successo, dato tempo per condurre l'esperimento. È lo stesso modo in cui LCLS e altre sorgenti luminose a raggi X gestiscono l'accesso ai loro strumenti.

Mentre gli utenti arriveranno da tutto il mondo nei prossimi mesi, il primo esperimento allo strumento è stato fatto da un ricercatore che è stato coinvolto con MeV-UED fin dall'inizio, progettazione di camere campione per materiali solidi. Alessandro Reid, uno scienziato del personale presso LCLS e lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), sta raccogliendo dati questa settimana.

"È immensamente gratificante vedere il sistema MeV-UED, che ha avuto inizio con un atteggiamento propositivo e molte parti prese in prestito, diventare una vera e propria centrale elettrica per la scoperta scientifica, " dice Reid.

Reid sta osservando i fenomeni magnetici su scala nanometrica in materiali come ferro-platino, un materiale nuovo ma complesso che è rilevante per la memoria dei dati basata su cloud e potrebbe migliorare l'efficienza e l'affidabilità dell'archiviazione dei dati. Ma prima che il materiale possa essere ampiamente utilizzato, i ricercatori devono prima capire il suo comportamento magnetico fondamentale.

"Con LCLS, possiamo ottenere un'ottima misurazione di come cambia il magnetismo su scale temporali molto veloci. Con UED, possiamo osservare la struttura atomica del materiale e come reagisce al cambiamento del magnetismo, " Dice Reid. "Mettere insieme queste due misurazioni fornisce il quadro completo di ciò che sta facendo l'intero sistema".