Ngày 19/9/2023, Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng Mỹ đã công bố đã chế tạo thành công máy gia tốc laser điện tử tự do tia X (XFEL) đầu tiên. Thiết bị này nằm trong tổ hợp máy gia tốc Linac Coherent Light Source (LCLS) mới được nâng cấp, gọi là LCLS-II. Đây là một bước tiến lớn và đầy hứa hẹn mở ra một kỷ nguyên mới của khoa học trong nghiên cứu và phát triển tia X. Các nhà khoa học từ đây sẽ có thể kiểm tra các chi tiết của vật liệu lượng tử với độ phân giải chưa từng có, thúc đẩy các hình thức điện toán và truyền thông mới; tiết lộ các sự kiện hóa học không thể đoán trước phục vụ các ngành công nghiệp và công nghệ năng lượng sạch bền vững hơn; nghiên cứu cách các phân tử sinh học thực hiện chức năng sống để phát triển các loại dược phẩm mới; và nghiên cứu thế giới trong thời gian nhanh nhất để mở ra những lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới.
Máy gia tốc laser điện tử tự do tia X (XFEL) bao gồm nguồn điện tử, máy gia tốc tuyến tính và nam châm chuyển động cách đều nhau để tạo ra bước sóng tia X (nằm trong khoảng từ 0,01 đến 10 nm). Các chùm electron do nguồn phát điện tử tạo ra được nén và gia tốc đến gần bằng tốc độ ánh sáng trong máy gia tốc tuyến tính trước khi tương tác với bộ tạo sóng, xung được tạo ra bởi sự tương tác của điện tử với bộ tạo sóng này. Khi tương tác với bộ chuyển động, các electron sẽ lắc lư qua nam châm. Chiều dài của bộ tạo sóng XFEL cho phép các electron tương đối tính tương tác với bức xạ phát ra, tạo ra sự tập trung các electron với khoảng cách bằng bước sóng của tia X phát ra. Khi chùm electron di chuyển qua, sự phát xạ của chúng trở nên mạch lạc hơn và cho phép tương tác mạnh hơn. Điều này dẫn đến chùm tia X có xung kết hợp cao trong khoảng thời gian femto giây. Bởi vì số lượng electron trong một chùm lên tới hàng tỷ, nên gây ra sự gia tăng thông lượng lớn so với các nguồn synchrotron. Hơn nữa, sự kết hợp theo chiều dọc của các xung sẽ đẩy mức độ sáng cực đại cao hơn mức có thể đạt được ở một synchrotron. XFEL đầu tiên được chế tạo tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC ở California và đã đi vào hoạt động từ năm 2009. Thiết bị này đã thiết lập một tiêu chuẩn mới với cường độ cực đại của tia X cao hơn mười bậc so với synchrotron mạnh nhất phát bức xạ. Kể từ đó, có 04 XFEL khác được chế tạo, đó là: SPring-8 Angstrom Compact Laser electron tự do (SACLA, Nhật Bản), XFEL của châu Âu (Eu-XFEL), PAL-XFEL của Phòng thí nghiệm máy gia tốc Pohang (Hàn Quốc) và máy gia tốc laser điện tử tự do SwissFEL (Thụy Sĩ).
Nguyên lý của máy gia tốc laser điện tử tự do tia X (Nguồn: SLAC)
XFEL là nguồn đầu tiên có khả năng tạo ra các xung laser kết hợp, cường độ cực kỳ cao, có thể điều chỉnh thường xuyên trong chế độ tia X. Với bước sóng Angstrom (10e-10 m) và thời lượng xung đồng thời femto giây (10e-15 giây), lần đầu tiên chúng ta có thể giải quyết cấu trúc và động lực học của vật chất ở quy mô nguyên tử. Hơn nữa, do xung có cường độ cao, chúng sẽ vượt xa giới hạn trong nhiều lĩnh vực khoa học như vật lý, hóa học, khoa học vật liệu, sinh học và khoa học đời sống. Ngược lại với các laser thông thường trong đó sự khuếch đại đạt được nhờ sự chuyển tiếp của các electron bị kích thích ở trạng thái nguyên tử hoặc phân tử liên kết, XFEL sử dụng chùm electron “tự do” (không liên kết) tương đối tính làm môi trường khuếch đại.
Xung điện tử truyền qua một bộ cộng hưởng và phát ra bức xạ (Nguồn: Greg Stewart, SLAC)
Những electron này được truyền qua một từ trường xen kẽ (bộ tạo sóng), buộc chúng vào một quỹ đạo hình sin. Do gia tốc ngang, các electron tương đối tính phát ra bức xạ tia X dưới dạng bức xạ synchrotron thành một hình nón hẹp phía trước. Ngược lại với nguồn tạo sóng (dựa trên cách thiết lập tương tự), XFEL có thể phát ra bức xạ kết hợp (và do đó có cường độ mạnh hơn rất nhiều). Sự kết hợp trong XFEL là do sự phản hồi của bức xạ phát ra lên chùm electron, quá trình được gọi là “SASE” (phát xạ tự phát tự khuếch đại). Vì việc chế tạo gương cho bước sóng tia X là cực kỳ khó khăn nên XFEL phải được khuếch đại hoàn toàn trong một lần truyền.
(Nguồn: Greg Stewart, SLAC)
Hình vẽ cho thấy xung điện tử dao động trong bộ tạo sóng và phát ra bức xạ synchrotron. Khi electron xử lý dọc theo bộ chuyển động (từ trái sang phải), bức xạ phát ra trở nên mạnh hơn và bắt đầu tác động trở lại lên các electron bằng cách (tùy thuộc vào vị trí của chúng so với sóng ánh sáng) tăng tốc và giảm tốc một phần. Do sự tương tác này, các electron tự sắp xếp thành cái gọi là “microbunches”: các tấm electron mỏng hơn bước sóng của bức xạ phát ra. Điều này dẫn đến sự phát ra bức xạ kết hợp, cường độ cao. Một trong những ưu điểm chính của bức xạ kết hợp là độ sáng cao hơn đáng kể so với các nguồn tự phát: cường độ phát xạ kết hợp tỷ lệ bậc hai với số lượng electron (Ne), trong khi bức xạ tự phát chỉ tỷ lệ tuyến tính với Ne. Để bức xạ được phát ra kết hợp, nó phải bắt nguồn từ các electron nằm ở khoảng cách nhỏ hơn bước sóng của bức xạ phát ra. Thời lượng xung điện tử thường dài hơn bước sóng của bức xạ trong phạm vi tia X. Tuy nhiên, sự phát xạ kết hợp vẫn có thể đạt được bằng cách “phân nhóm vi mô” trong đó các electron được tự sắp xếp theo quy trình FEL thành các vùng đủ nhỏ thông qua quy trình SASE.
Linac được trang bị hai thiết bị làm lạnh helium, được chế tạo dành riêng cho LCLS-II, làm lạnh từ nhiệt độ phòng xuống pha lỏng ở nhiệt độ chỉ vài độ trên độ không tuyệt đối. (Nguồn: Greg Stewart, SLAC).
XFEL tạo ra các xung tia X cực mạnh và cực ngắn, cho phép các nhà khoa học nắm bắt được hành vi của các phân tử, nguyên tử và điện tử với độ chi tiết chưa từng có trong khoảng thời gian mà các thay đổi về hóa học, sinh học và vật chất xảy ra. XFEL là công cụ tạo nên nhiều thành tựu khoa học, bao gồm việc tạo ra “phim phân tử” đầu tiên để nghiên cứu các quá trình hóa học phức tạp, quan sát trong thời gian thực cách thức thực vật và tảo hấp thụ ánh sáng mặt trời để tạo ra tất cả lượng oxy mà chúng ta hít thở và nghiên cứu các điều kiện cực đoan, điều kiện thúc đẩy sự tiến hóa của các hành tinh và các hiện tượng như mưa kim cương. XFEL đầu tiên trên thế giới tạo ra tia X sáng hơn một tỷ lần so với bất kỳ thứ gì trước đó. Nó tăng tốc các electron qua một ống đồng ở nhiệt độ phòng, giới hạn tốc độ của nó ở mức 120 xung tia X mỗi giây. Bản nâng cấp LCLS-II này, XFEL lớn nhất thế giới sẽ đưa khoa học tia X lên một tầm cao hoàn toàn mới: có thể tạo ra tới một triệu xung tia X mỗi giây, gấp 8.000 lần so với LCLS và tạo ra chùm tia X gần như liên tục mà trung bình sẽ sáng hơn 10.000 lần so với phiên bản trước.
Các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị trong nhiều năm để sử dụng LCLS-II cho một chương trình khoa học rộng rãi nhằm giải quyết những thách thức ngoài tầm với trước đây. Các nhà khoa học sẽ có thể nghiên cứu các tương tác trong vật liệu lượng tử theo thang thời gian tự nhiên của chúng, đây là chìa khóa để hiểu các đặc tính bất thường và thường phản trực giác của chúng nhằm chế tạo các thiết bị tiết kiệm năng lượng, máy tính lượng tử, xử lý dữ liệu cực nhanh và các công nghệ tương lai khác. Bằng cách ghi lại những bức ảnh chụp nhanh ở quy mô nguyên tử của các phản ứng hóa học ở khoảng thời gian atto giây (quy mô mà các electron di chuyển), LCLS-II cũng sẽ cung cấp những hiểu biết chưa từng có về các phản ứng hóa học và sinh học, dẫn đến các quy trình hiệu quả hơn trong các ngành công nghiệp từ năng lượng tái tạo đến năng lượng xanh mới, sản xuất phân bón và giảm thiểu khí nhà kính.
Các xung tia X do LCLS-II tạo ra sẽ cho phép các nhà khoa học theo dõi dòng năng lượng qua các hệ thống phức tạp trong thời gian thực. Điều này sẽ cung cấp mức độ chi tiết chưa từng về thông tin cho sự phát triển của các lĩnh vực như điện toán cực nhanh, sản xuất bền vững và truyền thông. Ở điểm giao thoa giữa vật lý, hóa học và kỹ thuật, khoa học vật liệu cũng được hưởng lợi đáng kể từ các khả năng mới của LCLS-II. Tiềm năng của XFEL nâng cao quan sát cấu trúc và tính chất bên trong của vật liệu ở quy mô nguyên tử và phân tử được dự đoán sẽ dẫn đến những đột phá trong việc thiết kế các vật liệu mới có đặc tính độc đáo, tác động đến một loạt ngành công nghiệp từ điện tử đến lưu trữ năng lượng, hàng không vũ trụ và các quá trình của sự sống diễn ra ở quy mô và tốc độ thường khó có thể nghiên cứu chi tiết. Khả năng tạo ra “phim phân tử” của LCLS-II có thể làm sáng tỏ những hiện tượng này, cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về sự sống ở cấp độ cơ bản nhất. Từ điệu nhảy phức tạp của protein đến cơ chế quang hợp, LCLS-II sẽ làm sáng tỏ các hệ thống sinh học một cách chi tiết chưa từng thấy trước đây. LCLS-II sẽ thúc đẩy một cuộc cách mạng trên nhiều lĩnh vực học thuật và công nghiệp.
Từ khóa: XFEL; LCLS; SLAC; tia X; máy gia tốc laser; điện tử tự do;
– CMD&DND –
