SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nın bir x-ışını serbest elektron lazeri olan Linac Koherent Işık Kaynağı, saniyede bir milyon x-ışını atımı üretmesini sağlayacak bir yükseltmenin ardından ilk kez çalışmaya başlıyor.
Yirmi yıl önce ilk kez X-ışını serbest elektron lazerleri (XFEL’ler) geliştirildi. O zamandan bu yana, hem ultra hızlı hem de ultra küçük olanı “görebilen” çığır açan araştırmalara olanak sağladılar. Şu anda mevcut olan ekipman tipik olarak saniyede 100 veya daha az kısa ama güçlü x-ışını darbesi üretmektedir. Ancak Kaliforniya’daki SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda bulunan Linac Tutarlı Işık Kaynağı’nın (LCLS) bu atım hızını aşması planlanmaktadır.
Güncellenen LCLS-II makinesinin “ilk ışığı” LCLS İşbirliği tarafından resmen ilan edildi. LCLS-II’nin tam olarak faaliyete geçtiğinde saniyede bir milyon atım üretmesi ve böylece tüm dünyadaki en güçlü x-ışını lazeri olması bekleniyor.
Serbest Elektron Lazerleri
LCLS’nin yöneticileri LCS-II’nin geliştirilmesinin makinenin keşif potansiyelinde bir kuantum sıçramasını temsil ettiğine inanıyorlar ve bilim insanlarının artık basit, model sistemler üzerinde “gösteri” testleri yapmak yerine karmaşık, gerçek dünya sistemlerini araştırabileceklerini belirtiyor. Örneğin, araştırmacılar biyolojik sistemleri fizyolojik koşullar altında ve oda sıcaklığında gözlemleyebilir, fotokimyasal sistemleri ve katalizörleri doğal ortamlarında inceleyebilir ve kuantum malzemelerin davranışını kontrol ettiği düşünülen elektronik ve manyetik korelasyonlardaki nano ölçekli değişimleri takip edebilir.
XFEL ilk olarak 1992 yılında x-ışını lazeri oluşturma sorununa bir çözüm olarak ortaya atılmıştır. Geleneksel lazer teknikleriyle, birçok atom ışık yayan durumlara uyarılır. Ancak, x-ışını dalga boyuna karşılık gelen uyarılmış durumlar, oldukça büyük bir uyarılmış durum popülasyonunu biriktirmek için çok geçicidir. Bunun yerine, XFEL’ler undülatör olarak bilinen periyodik bir manyetik dizi boyunca rölativistik hızlarda hareket eden elektronlara dayanır. Elektronlar bir demet halinde undülatörden geçerek, demetle birçok kez etkileşime giren ve güçlenen x-ışını radyasyonunu serbest bırakır. Sonuçta lazer uyumlu, parlak bir x-ışını ışını elde edilir.
Almanya’nın Hamburg kentinde ilk XFEL 2005 yılında inşa edilmiştir. Şu an itibariyle XFEL, birkaç nanometre kadar küçük dalga boylarına sahip “yumuşak” x-ışını radyasyonu yaymaktadır. Dört yıl sonra LCLS devreye girerek XFEL’in kapasitesini atomik çözünürlüklü görüntüleme ve kırınım araştırmaları için gerekli olan çok daha kısa dalga boylarına sahip “sert” x ışınlarına genişletti. Bilim insanları bu ve daha sonra Japonya, İtalya, Güney Kore, Almanya ve İsviçre’de ortaya çıkan diğer tesisler sayesinde katalitik reaksiyonları gerçek zamanlı olarak inceleyebildi, kristalleştirilmesi zor proteinlerin yapılarını çözebildi ve yüksek sıcaklıktaki süper iletkenlerde elektron-foton eşleşmesinin işlevine ışık tutabildi.
X-ışını darbelerinin birkaç yüz atosaniye kadar kısa sürebilmesi, moleküllerin, atomların ve hatta elektronların dinamiklerinin resimlerini çekmeyi mümkün kılmıştır.
LCLS modifikasyonları, tesisin doğası gereği neredeyse sürekli olan bir megahertz darbe dizisi yaydığı yeni bir XFEL çalışma modu sağlar. İlk LCLS için rölativistik elektronları üreten lineer hızlandırıcının özellikleri, 120 Hz’de zirve yapan darbe hızını belirledi. Hızlandırıcı, yaygın bir metal olan bakırdan yapıldığı ve ortam sıcaklığında çalıştığı için ısıya bağlı hasarı önlemek amacıyla saniyede 120 kez açılıp kapatılmak zorundaydı.
Çalışma sıcaklığı olan 2 K’de süper iletken olan niyobyum, LCLS-II’de kısmen bakırın yerini almıştır. Bakırın hasar kısıtlamalarını aşan dağılmayan süperiletken elemanlar sayesinde maksimum tekrarlama oranı 8000 kat gibi şaşırtıcı bir oranda artmıştır. LCLS direktörü Michael Dunne’a göre, yeni süper iletken teknolojisinin ışın “titremesini” de azaltması bekleniyor. Daha fazla tutarlılık, tekrarlanabilirlik, tekrarlama oranı ve ortalama güç, “bir dizi sisteme bakma yeteneğimizi dönüştürecek” diye devam ediyor.
Seattle’daki Washington Üniversitesi’nde fiziksel kimyager olan Munira Khalil, LCLS-II’nin zaman içinde çözünen kimyaya odaklanan deneyler için faydalı olduğunu iddia ediyor. LCLS kullanıcısı olan Khalil, hızlı atımların bol fotonlarını dinamik deneyler yapmak için kullanacak.
Atomların ve elektronların bağlantılı hareketlerinin gerçek zamanlı ölçümleri, kendi deyimiyle “bir kimyagerin rüyasıdır” ve bu deneylerin bunu mümkün kılmasını beklemektedir. Daha fazla foton sayesinde araştırmacılar seyreltilmiş örnekleri de inceleyebilir ve muhtemelen metallerin belirli protein konumlarına bağlanma süreci hakkında daha fazla bilgi edinebilirler ki bu da doğada bilinen tüm proteinlerin yarısının işlevini anlamak için önemlidir.
Almanya’daki DESY Serbest Elektron Lazer Bilimi Merkezi’nden Henry Chapman’a göre, eskiden tamamlanması günler süren testler artık birkaç saat ya da dakika içinde bitirilebilir. Chapman, LCLS’de ve daha sonra Hamburg’daki XFEL’de proteinlerin yapılarını tespit etmek için çığır açan araştırmalar gerçekleştirdi.
Seri kristalografi olarak bilinen bu teknik, XFEL’in ışınına art arda yerleştirilen çeşitli malzemelerin kırınım desenlerinin birleştirilmesini gerektiriyor. Geleneksel kristalografi yöntemleri kullanılarak incelenemeyecek kadar küçük kristaller üreten biyolojik açıdan önemli proteinlerin yapıları seri kristalografi yoluyla belirlenmiştir. Chapman’a göre LCLS-II’nin gelişmiş verimi, biyomoleküler reaksiyonların femtosaniyeden milisaniyeye kadar değişen zaman dilimlerinde ölçülmesi gibi çok daha iddialı çalışmaların yapılmasını mümkün kılacak. Sözlerine şöyle devam ediyor: “İlaç bağlanması veya kataliz için en iyi koşulları bulmak üzere deneye geri beslenen ‘anında’ bir analiz de düşünülebilir.
Bu tür çalışmaları daha geniş bir kitleye ulaştıracağına inanan Khalil, deneylerin büyük ölçüde hızlandırılmasını LCLS-II’nin önemli bir ilerlemesi olarak görüyor. Yakın zamana kadar XFEL’lerde postdoc ya da yüksek lisans öğrencisi olarak kapsamlı bir şekilde çalışma şansına sahip olan kişilerin, bu tesisleri kullananların çoğunluğunu oluşturduğunu belirtiyor. XFEL arenasının artık çok daha fazla deneyci için erişilebilir olması gerektiğini iddia ediyor. Bu alan heyecan verici bir dönemden geçiyor.
