Что такое усовершенствованный источник фотонов? Как делают ультра-яркие рентгеновские лучи

Сейчас 4 часа утра, и я не спал около 20 часов подряд. Горит громкий сигнал тревоги, сопровождаемый мигающими красными стробоскопами. Строгим голосом объявляется: «Поиск станции Б. Немедленно выходите». Это похоже на чрезвычайную ситуацию, но это не так. На самом деле, сегодня тревога уже сработала 60 или 70 раз. Это предупреждение, позволяющее всем в округе узнать, что я собираюсь направить мощный рентгеновский луч в небольшую комнату, полную электронного оборудования и струй испаряющегося жидкого азота.

В центре этой комнаты, которая называется станцией B, я поместил кристалл не толще человеческого волоса на кончик крошечного стеклянного волокна. Я подготовил десятки этих кристаллов и пытаюсь проанализировать их все.

Эти кристаллы сделаны из органических полупроводниковых материалов, которые используются для изготовления компьютерных чипов, светодиодных фонарей, экранов смартфонов и солнечных батарей. Я хочу выяснить, где именно находится каждый атом внутри кристаллов, насколько они плотно упакованы и как они взаимодействуют друг с другом. Эта информация поможет мне предсказать, насколько хорошо электричество будет проходить через них.

Чтобы увидеть эти атомы и определить их структуру, мне нужна помощь синхротрона, который представляет собой массивный научный инструмент, содержащий в себе петлю электронов длиной в километр, вращающуюся со скоростью, близкой к скорости света. Мне также нужен микроскоп, гироскоп, жидкий азот, немного удачи, одаренный коллега и трехколесный велосипед.

Получение Кристалла на месте

Первый шаг этого эксперимента включает в себя размещение сверхмалых кристаллов на кончике стекловолокна. Я использую иглу, чтобы скрести их вместе на предметное стекло и положить их под микроскоп. Кристаллы красивые - красочные и ограненные, как маленькие драгоценные камни. Я часто нахожусь в ужасе, уставившись лишенными сна глазами в микроскоп, и перефокусирую свой взгляд, прежде чем кропотливо уговаривать его на кончик стеклянного волокна.

После того, как я прикрепил кристалл к волокну, я начинаю часто расстраивать задачу центрирования кристалла на кончике гироскопа внутри станции B. Это устройство будет вращать кристалл медленно и непрерывно, что позволяет мне лучевые изображения этого со всех сторон.

Во время вращения жидкий азот используется для его охлаждения: даже при комнатной температуре атомы вибрируют взад и вперед, что затрудняет получение четкого изображения их. Охлаждение кристалла до температуры минус 196 градусов по Цельсию, температуры жидкого азота, заставляет атомы перестать так сильно двигаться.

Рентгеновская фотография

После того, как кристалл отцентрирован и охлажден, я закрываю станцию ​​B и извлекаю образец из рентгеновского луча из внешнего блока управления компьютера. Полученное изображение, называемое дифракционной картиной, отображается в виде ярких пятен на оранжевом фоне.

То, что я делаю, не сильно отличается от фотографирования с помощью камеры и вспышки. Я собираюсь посылать лучи света на объект и записывать, как свет отражается от него. Но я не могу использовать видимый свет для фотографирования атомов - они слишком малы, а длины волн света в видимой части спектра слишком велики. Рентгеновские лучи имеют меньшую длину волны, поэтому они будут дифрагировать или отражаться от атомов.

Однако, в отличие от камеры, дифрагированное рентгеновское излучение не может быть сфокусировано с помощью простого объектива. Вместо фотографии, подобной фотографии, я собираю несфокусированные данные о том, куда делись рентгеновские лучи после того, как они отразились от атомов в моем кристалле. Полный набор данных об одном кристалле состоит из этих изображений, полученных со всех сторон вокруг кристалла, когда его вращает гироскоп.

Advanced Math

Мой коллега, Николас ДеВирд, сидит рядом и анализирует наборы данных, которые я уже собрал.Он сумел игнорировать вспыхивающие сигналы тревоги и мигающие огни в течение многих часов, глядя на дифракционные изображения на своем экране, чтобы, по сути, превратить рентгеновские изображения со всех сторон кристалла в изображение атомов внутри самого кристалла.

В прошлые годы этот процесс мог занимать годы тщательных вычислений, выполненных вручную, но теперь он использует компьютерное моделирование, чтобы собрать все части воедино. Он является неофициальным экспертом нашей исследовательской группы в этой части головоломки, и ему это нравится. «Это как Рождество!» - слышу я его бормотание, когда он просматривает мерцающие изображения дифракционных картин.

Я улыбаюсь от того энтузиазма, который ему удалось сохранить до поздней ночи, когда я запускаю синхотрон, чтобы получить мои фотографии кристалла, расположенного на станции B. Я задерживаю дыхание, когда дифракционные картины с первых нескольких углов появляются на экране., Не все кристаллы рассеиваются, даже если я все настроил идеально. Часто это происходит потому, что каждый кристалл состоит из множества еще более мелких кристаллов, соединенных вместе, или кристаллов, содержащих слишком много примесей, чтобы сформировать повторяющийся кристаллический рисунок, который мы можем математически решить.

Если это не дает четких изображений, мне придется начать сначала и настроить другое. К счастью, в этом случае первые несколько всплывающих изображений показывают яркие, четкие дифракционные пятна. Я улыбаюсь и бездельничаю, чтобы собрать остальную часть набора данных. Теперь, когда гироскоп вращается и рентгеновский луч взрывает образец, у меня есть несколько минут, чтобы расслабиться.

Я бы выпил немного кофе, чтобы быть начеку, но мои руки уже дрожат от перегрузки кофеином. Вместо этого я призываю Ника: «Я пойду на колени». Я иду к группе трехколесных велосипедов, сидящих поблизости. Обычно они используются только для того, чтобы обойти большое здание с синхротроном, и я считаю, что они одинаково полезны для отчаянной попытки проснуться с какими-то упражнениями.

Пока я катаюсь, я думаю о кристалле, установленном на гироскопе. Я провел месяцы, синтезируя это, и скоро у меня будет картина этого. С изображением я пойму, что улучшения, которые я сделал в нем, которые немного отличают его от других материалов, которые я делал в прошлом, вообще его улучшили. Если я вижу доказательства лучшей упаковки или увеличения межмолекулярных взаимодействий, это может означать, что молекула является хорошим кандидатом для тестирования в электронных устройствах.

Измученный, но счастливый, потому что я собираю полезные данные, я медленно крутлю педали по кругу, отмечая, что синхротрон пользуется большим спросом. Когда линия луча работает, она используется круглосуточно, поэтому я работаю всю ночь. Мне повезло, что я вообще получил время. На других станциях другие исследователи, такие как я, работают до поздней ночи.

Эта статья была первоначально опубликована в разговоре Керри Риппи. Прочитайте оригинальную статью здесь.