Chế tạo máy laser tia X sáng nhất thế giới

Ở dưới lòng đất 10m và cách không xa Đại học Stanford, các nhà khoa học đang hoàn thiện cỗ máy laser có thể thay đổi cách nghiên cứu khối xây dựng vũ trụ.

Khi hoàn thành vào năm 2022, Coherent Light Source II hay LCLS-II, sẽ là máy laser tia X thứ hai tại Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng Mỹ. Máy laser LCLS đầu tiên vận hành từ năm 2009, tạo ra chùm tia với 120 xung ánh sáng mỗi giây. LCLS-II có thể sản sinh một triệu xung mỗi giây và chùm laser sẽ sáng gấp 10.000 lần bản tiền nhiệm.

Chế tạo máy laser tia X sáng nhất thế giới
Undulator Hall, đoạn nam châm đảo chiều dùng để biến đổi chùm electron thành tia X. (Ảnh: Andy Altman/CNET)

"Tôi cho rằng hoàn toàn hợp lý khi nói LCLS-II sẽ mở ra một kỷ nguyên khoa học mới", tiến sĩ James Cryan ở SLAC chia sẻ. "Cỗ máy có thể tạo ra các xung trong chưa đầy một phần triệu tỷ giây". Nhờ đó, LCLS-II giúp các nhà nghiên cứu tiến hành những thí nghiệm bất khả thi trước đây.

LCLS giống như một kính hiển vi với độ phân giải cỡ nguyên tử. Ở trung tâm của nó là máy gia tốc hạt, thiết bị thúc đẩy tốc độ hạt tích điện và hướng chúng thành một chùm. Chùm đó truyền qua hàng loạt nam châm đảo chiều (thiết bị gọi là máy gợn sóng) để tạo ra tia X. Các nhà khoa học có thể sử dụng tia X này để dựng phim phân tử, hình ảnh của nguyên tử và phân tử đang chuyển động được ghi hình trong vài phần triệu tỷ giây và kết hợp lại giống như một bộ phim.

Những nhà khoa học ở gần như mọi lĩnh vực nghiên cứu đến từ khắp nơi trên thế giới để tiến hành thí nghiệm với LCLS. Phim phân tử của họ hé lộ các phản ứng hóa học, hé lộ hành vi của nguyên tử bên trong ngôi sao, tạo ra hình ảnh sống động mô tả chi tiết quá trình quang hợp. LCLS-II và công suất cao hơn sẽ cách mạng hóa phim phân tử, theo Andrew Burrill, phó giám đốc phòng thí nghiệm SLAC.

Dù cả hai máy laser đều tăng tốc electron tới tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng, chúng vẫn có điểm khác biệt. Máy gia tốc của LCLS đẩy electron qua đường ống bằng đồng vận hành ở nhiệt độ phòng, có nghĩa nó sản sinh lượng nhiệt rất lớn. Một khuôn đồng sẽ hấp thụ phần lớn nhiệt lượng đó. Đấy là lý do các kỹ sư chuyển sang máy gia tốc siêu dẫn mới, bao gồm hàng chục thiết bị dài 12 m gọi là cryomodule, được thiết kế để hoạt động ở -271 độ C nhờ nhà máy đông lạnh lớn ở phía trên mặt đất.

Theo Cryan, LCLS-II sẽ giúp các nhà khoa học SLAC trả lời những câu hỏi đã khiến họ đau đầu suốt nhiều năm như sự truyền năng lượng xảy ra như thế nào bên trong hệ thống phân tử. Họ hy vọng có thể sản xuất chùm electron đầu tiên bằng LCLS-II vào tháng 1/2022.

Từ khóa liên quan: