หลังจากหลายปีของการพัฒนาและการลงทุนกว่า 1.1 พันล้านดอลลาร์ เลเซอร์เอ็กซเรย์ที่ทรงพลังที่สุดในโลกก็ใช้งานได้แล้ว นับเป็นก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในความสามารถของเราในการสังเกตวัตถุขนาดอะตอม
เลเซอร์เอ็กซเรย์ที่ก้าวล้ำนี้ดำเนินการโดย SLAC National Accelerator Laboratory ภายใต้กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา ปล่อยแสงออกมาอย่างน่าอัศจรรย์หนึ่งล้านครั้งต่อวินาที ซึ่งเพิ่มขึ้นอย่างน่าทึ่งเมื่อเทียบกับรุ่นก่อนซึ่งสามารถปล่อยแสงได้เพียง 120 ครั้งต่อวินาที ยิ่งไปกว่านั้น การระเบิดของเลเซอร์แต่ละครั้งยังสว่างกว่าถึง 10,000 เท่า ถือเป็นยุคใหม่ของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์
LCLS-II XFEL: เลเซอร์เอ็กซเรย์ที่ทรงพลังที่สุด
LCLS-II XFEL (X-ray Free Electron Laser) เป็นชื่อพิเศษของเครื่องนี้ และทำงานโดยการทำให้อิเล็กตรอนเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่เย็นกว่าห้วงอวกาศ แล้วขับเคลื่อนพวกมันให้เข้าใกล้ความเร็วแสง นี่เป็นเวอร์ชันอัปเกรดของเครื่องมือที่ออกแบบมาเพื่อจับภาพวัตถุที่มีกล้องจุลทรรศน์ที่มีความละเอียดสูงในช่วงเวลาที่รวดเร็วเป็นพิเศษ
เลเซอร์อิเล็กตรอนปลอดรังสีเอกซ์ เช่น LCLS-II สร้างพัลส์แสงรังสีเอกซ์ที่สว่างเป็นพิเศษและสั้นเป็นพิเศษ ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตพฤติกรรมของโมเลกุล อะตอม และอิเล็กตรอนได้อย่างแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในช่วงเวลาตามธรรมชาติของปฏิกิริยาเคมี กระบวนการทางชีวภาพ และการเปลี่ยนแปลงของวัสดุ การทำซ้ำครั้งก่อนของเทคโนโลยีนี้ทำให้นักวิจัยสามารถจำลองภาพไวรัส จำลองสภาวะที่แกนกลางของดาวฤกษ์ สร้างสภาวะที่ร้อนกว่าแกนกลางของโลก สร้างเสียงที่ทำให้หูหนวก และเลียนแบบประเภทของ “ฝนเพชร” ที่อาจเกิดขึ้นบนดาวเคราะห์เช่นดาวเนปจูน
LCLS-II ทำงานบนหลักการพื้นฐานเดียวกันกับรุ่นก่อน แต่มีการอัพเกรดที่โดดเด่นหลายประการ การปรับปรุงที่สำคัญที่สุดคือระบบระบายความร้อน ซึ่งอาศัยอาร์เรย์ของไครโอโมดูล 37 ตัว เพื่อลดอุณหภูมิของอุปกรณ์ลงเหลือ -271°C ซึ่งสูงกว่าค่าสัมบูรณ์ศูนย์ (-273.15°C) เพียงเล็กน้อย สารหล่อเย็นฮีเลียมเหลวไหลเวียนผ่านโมดูลเหล่านี้จากพืชแช่แข็งฮีเลียมขนาดใหญ่สองต้น ที่อุณหภูมิเย็นจัด โพรงโลหะไนโอเบียมภายในโมดูลจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด ทำให้อิเล็กตรอนไหลผ่านได้โดยไม่ต้องมีความต้านทานใดๆ
มันมีประโยชน์อะไรบ้าง?
การใช้งานเลเซอร์เอ็กซ์เรย์นี้มีความหลากหลายและกว้างขวาง สามารถบันทึกภาพเคลื่อนไหวแบบเรียลไทม์ของปฏิกิริยาเคมี เช่น การสังเคราะห์ด้วยแสง และช่วยในการวิเคราะห์โครงสร้างของโมเลกุลที่ซับซ้อน นอกจากนี้ยังสามารถมีส่วนช่วยในการพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมอีกด้วย
เจนนิเฟอร์ แกรนโฮล์ม รัฐมนตรีกระทรวงพลังงานของสหรัฐฯ ยกย่องความสำเร็จนี้ โดยระบุว่าแสงจาก LCLS-II ของ SLAC จะส่องสว่างปรากฏการณ์ที่เล็กที่สุดและเร็วที่สุดในจักรวาล ซึ่งนำไปสู่การค้นพบที่สำคัญในสาขาต่างๆ ตั้งแต่สุขภาพของมนุษย์ไปจนถึงวิทยาศาสตร์วัสดุควอนตัม การอัปเกรดนี้ช่วยให้แน่ใจว่าสหรัฐอเมริกายังคงอยู่ในแถวหน้าของวิทยาศาสตร์เอ็กซ์เรย์ โดยให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานระดับอะตอมของโลกของเรา
โดยสรุป การเปิดใช้งาน LCLS-II XFEL ถือเป็นการประกาศยุคใหม่ของการสำรวจทางวิทยาศาสตร์และการได้มาซึ่งความรู้ ต้องขอบคุณความสามารถที่ไม่มีใครเทียบได้ในการจับภาพแง่มุมที่เล็กที่สุดและหายวับไปที่สุดในจักรวาลของเรา
