역사상 가장 강력한 펄스를 방출하는 엑스선 레이저!

최근 SLAC 국립 가속기 연구소의 과학자들은 과학 연구 분야에서 큰 돌파구를 마련했습니다. 그들은 캘리포니아의 선형 가속기 코히런트 광원(LCLS-II) 시설을 활용하여 지금까지 가장 강력한 X선 펄스를 성공적으로 발사했습니다.
이 펄스의 지속 시간은 너무 짧아서 단 4.4조분의 1초(아토초) 만에 약 1테라와트의 에너지를 생성했습니다. 이는 원자력 발전소의 연평균 발전량보다 - 1배 더 많습니다.
LCLS-II는 캘리포니아주 멘로파크에 있는 스탠포드 대학 옆에 있는 미국 에너지부 SLAC 국립 가속기 연구소에 있는 선형 코히어런트 광원의 업그레이드 버전입니다. 이 장치는 자유 전자 레이저 기술을 사용하여 전자 빔을 빛의 속도에 가깝게 가속하고 빔을 일련의 자기장을 통해 진동시켜 강렬한 X선을 방출합니다. 이러한 X선은 분자와 같은 작은 물체를 이미지화하여 그 안의 원자 간 상호 작용을 관찰하는 데 사용할 수 있습니다.
LCLS-II는 초당 최대 백만 개의 X선 펄스를 방출할 수 있으며, 이는 이전 LCLS 레이저보다 8,000배 더 많습니다. 펄스 속도 증가와 펄스당 전자 수 증가를 결합하면 새로운 장치는 이전 장치보다 10,000배 이상 밝습니다.
특히, LCLS-II는 초당 최대 100만 개의 X선 펄스를 방출할 수 있으며, 이는 이전 LCLS 레이저보다 8,000-배 증가한 수치입니다. 펄스 속도 증가와 펄스당 전자 수 증가와 결합된 새로운 장치는 이전 장치보다 10,000배 이상 밝습니다. 또한 이 장치는 10-50펨토초 범위의 짧은 펄스를 생성할 수 있으며, 저에너지 X선의 경우 펄스 지속 시간이 250펨토초까지 확장되고 10펨토초 미만의 매우 짧은 펄스도 생성할 수 있습니다.
이렇게 짧은 파장, 짧은 펄스, 빠른 레이저 반복을 통해 과학자들은 이 장치를 사용하여 화학 반응이 일어나는 것을 볼 수 있습니다. 기본적으로 각 펄스는 반응에 관련된 원자의 구성을 이미지화할 수 있으며, 이러한 이미지를 연결하여 분자 "클레이메이션 영화"와 유사한 효과를 만들 수 있습니다. 2018년에 LCLS 시설은 단 1,000 펨토초 만에 인간의 시각과 광합성에 관련된 화학적 과정의 영화를 성공적으로 제작했습니다.
LCLS-II는 작은 물체를 이미지화할 수 있는 능력뿐만 아니라 최대 1옹스트롬(10^-10미터)의 정확도를 가지고 있습니다. 이 기능을 통해 연구자들은 생물학적 시스템에서 태양광 발전 및 연료 전지에 이르는 다양한 분야에서 원자 프로세스를 탐구할 수 있습니다. 동시에 이 레이저 장치는 과학자들이 초전도성, 강유전성 및 자기성과 같은 물리적 현상을 더욱 탐구하는 데 도움이 될 것입니다.
업그레이드의 핵심 구성 요소 중 하나는 혁신적인 기술의 설치입니다. 이전의 가스 페달은 실온에서 작동했지만 업그레이드된 LCLS-II는 초전도 가스 페달 어셈블리를 사용하여 절대 영도(-456도 F 또는 -271도)에 가까운 낮은 온도에서도 작동할 수 있습니다. LCLS-II는 또한 전자 빔을 스윙하는 더 나은 자석을 가지고 있습니다.
LCLS-II가 방금 작동을 시작했지만, 초기 LCLS 가스 페달의 성공은 연구자들에게 낙관적인 이유를 제공했습니다. 3,000명 이상의 과학자들이 이 시설을 사용하여 1,450건 이상의 논문을 발표했습니다. 이 강력한 X선 펄스 방출기의 미래 응용 분야는 유망하며 과학 연구 분야에 새로운 통찰력과 획기적인 진전을 가져올 것으로 기대됩니다.