12 年前、物理学者は最初の X 線レーザーをオンにしました。それ以来、それと世界中の他の数人が、材料と分子の革新的なプローブであることを証明してきました。しかし、X 線自由電子レーザー (XFEL) と呼ばれるデバイスは、部分的にしかレーザーに似ていません。従来のレーザーが放射する純粋な単一波長の光とは対照的に、それらはノイズの多い無秩序なビームを生成します。現在、物理学者は、X 線パルスを通常のレーザー ビームのように、さらに有用なものにするために、完全なダイヤモンド ミラーを利用する計画を開発しています。
現在、2 つの施設が 2023 年にも原理を証明する実験を実施しようと競い合っており、ユーザーになる可能性があることに注目しています。マックス プランク化学エネルギー変換研究所の化学者である Serena DeBeer は、次のように述べています。しかし、このような洗練された XFEL の実現には 10 年かかる可能性があり、容易ではないだろうと、欧州 XFEL の X 線物理学者 Harald Sinn は警告しています。
従来のレーザーは、2 つのミラーの間にある発光材料で構成されています。慎重に間隔をあけて配置されたミラーは、オルガンのパイプが特定のピッチの音で鳴るように、目的の波長の光と共鳴する空洞を形成します。光が材料を前後に通過するとき、材料を刺激して同じ波長のより多くの光子を生成し、量子力学的ロックステップで進行する同一の光子の波 (レーザービーム) が 1 つのミラーを通過するまで光を増幅します。意図的に不完全に反映されています。
このスキームは、X 線では機能しません。物理学者は、明白な放射物質と、最近まで、共振空洞を形成するのに十分な角度で X 線を反射するミラーの両方を欠いていました。そのため、粒子加速器を使用して電子の束を真空パイプに送り込み、アンジュレータと呼ばれる磁石の長い列を通過させます。アンジュレータは電子を左右に振って X 線光子を放射します。次に、光は電子と一緒に移動し、それらをマイクロバンチに押し込みます。マイクロバンチは一斉に小刻みに動き、はるかに強力に放射し、わずかフェムト秒の長さの X 線バーストを生成します。
最初の自由電子レーザーが 1970 年代に登場し、はるかに長い波長のマイクロ波が生成されました。 SLAC 国立加速器研究所の物理学者が「硬」X 線の偉業を達成したのは 2009 年のことでした。研究所の 3 キロメートルの長さの線形加速器を使用して、世界初の XFEL であるリニアック コヒーレント光源 (LCLS) を起動しました。 ）。それ以来、他の国では半ダースの XFELS が構築されています。
通常のレーザー ビームと同様に、XFEL からの X 線は、ビーチを横切る海の波のように、滑らかな前線に到達します。単一の XFEL パルスは、ナノメートル サイズの結晶から散乱し、結晶をビットに吹き飛ばしても、その原子構造を明らかにすることができます。生物学者は XFEL を使用して、無数のタンパク質やその他の分子の構造を決定してきました。これらの分子は、強度の低い X 線源では研究するのに十分な大きさの結晶を形成しません。しかし、XFEL は電子ビームの密度の変動を利用して X 線の生成を開始するため、パルスごとに強度が異なり、各パルスは幅広くランダムに分布した波長スペクトルを持っています。
アルゴンヌ国立研究所の加速器物理学者である Kwang-Je Kim は、このようなノイズを抑えるために、物理学者は何十年にもわたって考え出されてきたアイデアに目を向けてきたと述べています。 「人々は時々飲みながらそれについて話しましたが、それはパーティーの会話でした」と彼は言います. 2000 年代後半にキムと他の人々がこの問題に取り組むまで、「誰も真剣な計算をしませんでした」。
アイデアは、電子の 1 つの束によって生成された X 線パルスの一部を抽出し、次の電子の束とオーバーラップするのにちょうど間に合うようにアンジュレータの入口にフィードバックすることです。再循環されたX線は、電子をより予測通りに放射させるシードとして機能します。サイクルを繰り返すと、X 線パルスは非常に純粋で滑らかになり、波長の広がりは通常の XFEL パルスの 1/1000 にすぎません。
ただし、この計画には非常に特殊なミラーが必要です。 X 線はほとんどの物質を通り抜けますが、物理学者は 100 年前から、X 線が回折するときに、X 線のエネルギーと結晶の構造と方向に応じて、完全な結晶が特定の角度で X 線を反射する必要があることを知っていました。結晶内の原子の平行面から外れます。結晶は、狭い範囲の波長の X 線を反射するため、フィルターとしても機能します。このような結晶ミラーは、2010 年にアルゴンヌ大学の X 線物理学者である Yuri Shvyd’ko とその同僚が、小さな合成ダイヤモンドが 99% の効率で X 線を反射できることを示したときまで、熱望されていました。幸いなことに、XFEL のビーム幅は 100 マイクロメートル未満です。 「大きなクリスタルは必要ありません」とShvyd'koは言います。 「小さなサイズの完璧なクリスタルが必要です。」
この方式では、X 線ビームがミラーの回路を一周するたびに新しい電子束に確実に遭遇するように、高い繰り返し率の線形加速器も必要です。 SLAC の元の加速器は遅すぎて、1 秒間に 120 回発射します。ヨーロッパの XFEL は 1 秒間に 220 万サイクルで動作するため、長さわずか 136 メートルの空洞で X 線と電子バンチを同期させることができます。 SLAC は、2022 年から毎秒 100 万サイクルで動作するアクセラレータを設置しています。
空洞ベースの XFEL の必須要素をテストするために、アルゴンヌ、SLAC、および日本の研究所 Spring-8 の物理学者は、4 つのクリスタル ミラーを使用して、7 つの LCLS アンジュレータの周囲に長さ 66 メートルの空洞を構築することを計画しています。 SLAC の現在の加速器をいじることで、アンジュレータを介して 220 ナノ秒間隔で 2 つの電子バンチを発射し、最初のバンチからの X 線を再循環させると、2 番目のバンチがより効率的に放射されることを示したいと考えています。 SLAC の加速器物理学者である Gabriel Marcus は、このシステムは 2023 年に稼働するはずだと述べています。欧州 XFEL の研究者は、2024 年までにわずかに異なる設計を実装することを計画しています。彼らは、アンジュレータを介して最大 2700 個の電子バンチを送り、通過ごとにレーザービームがより強く滑らかになるのを観察したいと考えています。
ハンブルグ大学の X 線物理学者で、コンピューター上でヨーロッパの XFEL プロジェクトをモデル化した Patrick Rauer は、ミリサイズのダイヤモンドを数百万分の 1 度に並べるという非常に高い精度が必要になると警告しています。 「これは大きな問題です」と Rauer 氏は言います。 「これは非常に困難になるでしょう。」ドイツ電子シンクロトロン研究所の加速器物理学者である Ilya Agapov は、循環する X 線がミラーを加熱するため、位置合わせを維持することがさらに難しくなると述べています。
それでも、潜在的なユーザーは大きなメリットを予見しています。たとえば、ジーゲン大学の Christian Gutt は、ヨーロッパの XFEL を使用して、溶液中のタンパク質がどのように拡散し、タンパク質によって回折された X 線のパターンの相関関係を研究することにより、ナノ秒という短い時間スケールでクラスター化するかを研究しました。これらのパターンは、空洞ベースの XFEL を使用すると、はるかに鮮明になると彼は言います。 「それは私たちにとってゲームチェンジャーになるでしょう。」
アルゴンヌ大学の原子物理学者であるリンダ・ヤングは、原子物理学者が現在可視光で原子の状態を制御しているように、空洞ベースの XFEL はそのスペクトルが非常に狭いため、原子核の量子状態を制御するのに役立つ可能性さえあると述べています。 「とてもワイルドです」と彼女は言います。必要なのは、いくつかのミラーと、多くのハードワークだけです。
*訂正、8 月 30 日午後 4 時: このストーリーは、SLAC 国立加速器研究所での実験における適切なアンジュレータの数と空洞の長さに注意するように変更されました。
