Under de senaste åren, Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory har utvecklat ett nytt verktyg för att visualisera fysiska och kemiska processer med enastående tydlighet:en ultrahöghastighets "elektronkamera" som kan spåra atomrörelser i ett brett spektrum av material i realtid. Börjar denna vecka, labbet har gjort detta verktyg tillgängligt för forskare över hela världen.

Verktyget är ett instrument för ultrasnabb elektrondiffraktion (MeV-UED). Den använder en stråle av mycket energiska elektroner för att sondera materia och är särskilt användbar för att förstå atomprocesser som sker på tidsskalor så korta som cirka 100 femtosekunder, miljondelar av en miljarddel av en sekund. Dessa snabba ögonblicksbilder ger helt nya insikter om processer inom natur och teknik, gynnar ansökningar inom biologi, kemi, materialvetenskap och andra områden.

Den första förslagdrivna experimentkörningen av MeV-UED-instrumentet är planerad till december i år och kommer att leverera de kraftfulla elektronstrålarna till 16 användargrupper från över 30 institutioner. Experiment kommer inledningsvis att fokusera på materialvetenskap och heta, täta materia.

MeV-UED kompletterar laboratoriets svit med världsledande metoder för studier av ultrasnabb vetenskap, inklusive SLAC:s flaggskepps röntgenlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS). Genom att använda hela bredden av dessa metoder, forskare kan utforska mycket olika, men lika viktiga aspekter av snabba processer.

"Som svar på en DOE -workshop om framtiden för elektronspridning och diffraktion i februari 2014, SLAC lanserade ett ultrasnabbt elektrondiffraktionsinitiativ med målet att utveckla ett världsledande instrument vars kapacitet skulle komplettera LCLS, "säger Xijie Wang, chef för MeV-UED-instrumentet. "Att göra vår banbrytande teknik tillgänglig för det breda vetenskapliga samfundet och stödja SLAC:s program för ultrasnabb vetenskap är en spännande milstolpe för oss."

MeV-UED-instrumentet har införlivats i LCLS-användaranläggningen, lägga till experimentstationer som använder röntgenstrålar.

"Framstegstakten för att utveckla och tillämpa detta nya verktyg för ultrasnabb vetenskap har varit verkligen anmärkningsvärt, "säger Mike Dunne, LCLS -chef. "Vi blev mycket glada när energidepartementets kontor för grundläggande energivetenskap godkände införlivandet av MeV-UED i LCLS, att ge forskare från hela USA och världen över tillgång till denna spännande nya förmåga. "

En katalysator för oöverträffad vetenskap

Wang och hans team har utvecklat tekniken sedan programmets start 2014. Under vägen, MeV-UED-forskning har lett till ett betydande antal publikationer med hög effekt som beskriver upptäckter i material för solceller och datalagring; gav oöverträffade filmer av molekyler som vibrerar och bryts isär; tittade på strålningsskadorna i material för kärnfusionsreaktorer; och avslöjade exotiska fluktuerande materialegenskaper som kan användas i molekylära omkopplare.

"Under de senaste fyra åren har vi har visat att MeV-UED kan leda till ett paradigmskifte i ultrasnabb elektrondiffraktion, delvis på grund av dess mångsidighet att sondera ett brett spektrum av fasta och gasformiga prover, "Wang säger." Elektronernas höga energi, som är unikt för vårt instrument, har transformerat ultrasnabb elektrondiffraktion från en kvalitativ vetenskap till en kvantitativ, och våra experiment används nu för att validera teoretiska förutsägelser och driva på nya teoretiska utvecklingar. "

Teamets senaste FoU ägnas åt att utforska vetenskap i flytande stater, den naturliga miljön för många biokemiska processer, så forskare kommer snart att kunna inhämta ännu mer om några av de mest gripande detaljerna inom biologi och kemi.

Förena krafter för att bryta ny vetenskaplig mark

Det nya instrumentets fulla potential blir ännu tydligare när det kombineras med laboratoriets röntgenlaser.

Med LCLS, forskare kan spåra molekylära förändringar som sker extremt snabbt - inom bara några femtosekunder. Med MeV-UED, de kan avslöja skarpa bilder av molekyler med oöverträffad atomupplösning under dessa snabba reaktioner. Både - extraordinär upplösning i rymden och i tid - hjälper till att utveckla en fullständig bild av snabba grundläggande processer.

Detta exemplifieras av två studier av en kemisk reaktion, där ringformade molekyler bryts upp som svar på ljus-en process som spelar en viktig roll i produktionen av D-vitamin i våra kroppar. Några år sedan, forskare gjorde en molekylär film med LCLS, som gav de allra första glimtarna av reaktionens funktion. En nyare studie, med MeV-UED, lagt till ytterligare högupplösta detaljer.

"Tillsammans, LCLS och MeV-UED bildar en one-stop röntgenfoton- och elektronfabrik med ett symbiotiskt förhållande, och de tillgodoser de breda behoven hos vårt vetenskapliga samfund, "säger LCLS -forskaren Mike Minitti, som ansvarar för att integrera en förslagbaserad urvalsprocess för experiment på MeV-UED-instrumentet, liknar röntgenanläggningens befintliga processgranskningsprocess.

Välkomnar forskare från hela världen

Under de senaste åren har medan Wangs team byggde sitt instrument från grunden, några externa grupper uppmanades att utföra forskningsprojekt med MeV-UED i samarbete med SLAC-teamet.

Nu, SLAC har öppnat tillgången till instrumentet för praktiskt taget alla. Forskare kan lämna förslag på experiment, som sedan utvärderas av en expertkommitté, rankad och, om det lyckas, ges tid att genomföra experimentet. Det är på samma sätt som LCLS och andra röntgenljuskällor hanterar åtkomst till sina instrument.

Medan användare kommer från hela världen under de kommande månaderna, det första experimentet med instrumentet görs av en forskare som har varit inblandad i MeV-UED sedan början, utforma provkammare för fasta material. Alexander Reid, en personalvetare vid LCLS och Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), samlar in data den här veckan.

"Det är oerhört glädjande att se MeV-UED-systemet, som började med en can-do attityd och massor av lånade delar, bli ett verkligt kraftverk för vetenskaplig upptäckt, "Säger Reid.

Reid tittar på magnetfenomen på nanoskala i material som järn-platina, ett nytt men komplext material som är relevant för molnbaserat dataminne och som kan förbättra effektiviteten och tillförlitligheten för datalagring. Men innan materialet kan användas i stor utsträckning, forskare måste först förstå dess grundläggande magnetiska beteende.

"Med LCLS, vi kan få ett mycket bra mått på hur magnetism förändras på mycket snabba tidsskalor. Med UED, vi kan titta på materialets atomstruktur och hur det reagerar på den föränderliga magnetismen, "Säger Reid." Att sätta ihop dessa två mätningar ger en fullständig bild av vad hela systemet gör. "