ΛΕΪΖΕΡ ΑΚΤΙΝΩΝ-Χ Το «απόλυτο» μικροσκόπιο

ΛΕΪΖΕΡ ΑΚΤΙΝΩΝ-Χ

Το «απόλυτο» μικροσκόπιο

Ο θάλαμος κενού (οριζόντια δομή με φινιστρίνια που έχουν μπλε στεφάνια) περιέχει ειδικά σχεδιασμένα κάτοπτρα, που συγκεντρώνουν την πιο ισχυρή ακτίνα-Χ στον κόσμο, σε περιοχή με μέγεθος ενός κόκκου σκόνης!

Τα λέιζερ ακτίνων-Χ έχουν από παλιά βρει τη θέση τους στην επιστημονική φαντασία, αλλά το πρώτο που άρχισε να χρησιμοποιείται εδώ και τέσσερα χρόνια για επιστημονική έρευνα είναι το LCLS (Linac Coherent Light Source) στο πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Ταυτόχρονα, είναι και το ισχυρότερο λέιζερ ακτίνων-Χ στον κόσμο, καθώς τροφοδοτείται από το γραμμικό επιταχυντή SLAC μήκους 3 χιλιομέτρων. Επί προεδρίας Ρόναλντ Ρίγκαν, στις ΗΠΑ, γινόταν προσπάθεια λέιζερ σαν αυτό να χρησιμοποιηθούν ως υπερόπλα του λεγόμενου «Πολέμου των Αστρων», για την κατάρριψη πυραύλων και δορυφόρων (η σχετική έρευνα συνεχίζεται μυστικά και σήμερα στο εργαστήριο Λόρενς Λίβερμορ, παρότι το όλο σχέδιο αποδείχτηκε μη πρακτικό έως ανέφικτο).
Οταν ένα άτομο, μόριο ή κόκκος σκόνης τοποθετηθεί στο σημείο που εστιάζει το LCLS, δεν έχει καμία ελπίδα. Η ύλη που φωτίζεται από το πανίσχυρο λέιζερ, μέσα σε μόλις ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου ανεβάζει θερμοκρασία ενός εκατομμυρίου βαθμών Κελσίου, ανάλογη δηλαδή με τη θερμοκρασία του ηλιακού στέμματος. Ατομα, όπως εκείνα του ευγενούς αερίου νέον, υποβάλλονται σε τόσο έντονη ακτινοβολία που ταχύτατα χάνουν και τα 10 ηλεκτρόνιά τους και οι πυρήνες απομακρύνονται με εκρηκτικό τρόπο ο ένας από τον άλλο, έχοντας χάσει πια το ηλεκτρονιακό προστατευτικό κέλυφός τους. Για τους φυσικούς, τα ίχνη που αφήνει αυτή η καταστροφή παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον.

Από μέσα προς τα έξω

Η ακτίνα-Χ λέιζερ διαδίδεται μέσα από ένα σωλήνα που συνδέει τις δύο αίθουσες πειραμάτων του LCLS

Εκείνο που κάνει το φαινόμενο εκπληκτικό, είναι ότι το λέιζερ «εξατμίζει» τα ηλεκτρόνια των ατόμων από τα μέσα προς τα έξω. Τα ηλεκτρόνια, που περιβάλλουν τον πυρήνα ενός ατόμου σε τροχιακά, που σχηματίζουν μια δομή σαν κρεμμύδι, δεν αλληλεπιδρούν όλα το ίδιο έντονα με τη δέσμη ακτίνων-Χ. Τα εξωτερικά τροχιακά είναι σχεδόν διαφανή στις ακτίνες-Χ και έτσι τα πιο εσωτερικά απορροφούν όλη την ενέργεια, όπως το γάλα μέσα σε μια κούπα σε φούρνο μικροκυμάτων ζεσταίνεται πολύ πριν ζεσταθεί η ίδια η κούπα. Ως αποτέλεσμα, τα δύο ηλεκτρόνια που καταλαμβάνουν το πιο εσωτερικό τροχιακό εκσφενδονίζονται προς τα έξω, αφήνοντας κενό το χώρο όπου βρίσκονταν. Μέσα σε μερικά τετράκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, άλλα, πιο εξωτερικά ηλεκτρόνια, μετακινούνται στη θέση αυτών που λείπουν και ο κύκλος επαναλαμβάνεται πάλι και πάλι μέχρι να μη μείνει κανένα ηλεκτρόνιο στο άτομο. Το ίδιο συμβαίνει και στα άτομα ενός μορίου ή ενός κόκκου στερεής ύλης, που θα τοποθετηθεί ως στόχος του LCLS.
Η εξωτική κατάσταση ύλης που δημιουργείται από την απώλεια των ηλεκτρονίων διαρκεί μόνο μερικά τετράκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Αν ο στόχος ήταν ένας κόκκος στερεής ύλης τότε καταλήγει σε μια ιονισμένη κατάσταση (είδος πλάσματος) που ονομάζεται θερμή πυκνή ύλη και κανονικά συναντιέται μόνο στις ακραίες συνθήκες της πυρηνικής σύντηξης και στους πυρήνες γιγαντιαίων πλανητών. Αυτό το μικρής διάρκειας ζωής ακραίο περιβάλλον που δημιουργείται στην εστία του LCLS δεν έχει κανένα ανάλογο στη Γη.

Φωτογραφική μηχανή χημικών αντιδράσεων!

Το ίδιο το λέιζερ ακτίνων-Χ είναι εξίσου εκπληκτικό όσο και τα εξωτικά φυσικά φαινόμενα που αποκαλύπτει. Η συσκευή LCLS δίνει παράταση ζωής και νέα χρησιμότητα στον SLAC, έναν από τους βασικούς επιταχυντές ατόμων των ΗΠΑ, που έδωσε πολλές ανακαλύψεις και βραβεία Νόμπελ στη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών. Από τον αναπροσανατολισμό του για χρήση με το λέιζερ ακτίνων-Χ, τον Οκτώβρη του 2009, έχει αποτελέσει για την ατομική φυσική, τη φυσική πλάσματος, τη χημεία, τη φυσική συμπυκνωμένης ύλης και τη βιολογία ό,τι αποτελεί για τη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο CERN. Είναι, δηλαδή, ένα άλλο μέσο για να συντριβούν τα δομικά στοιχεία της ύλης με χρήση τεράστιων ποσοτήτων ενέργειας, ώστε να σχηματιστούν νέες μορφές ύλης, όπως τα «κούφια» άτομα, αλλά και ένα μέσο, ένα πανίσχυρο μικροσκόπιο, για να δούμε μέσα στην ύλη στο κβαντικό επίπεδο. Οι ριπές ακτίνων-Χ του LCLS μπορεί να είναι τόσο σύντομες, που, σαν πολύ γρήγορη φωτογραφική μηχανή, «παγώνουν» την κίνηση των ατόμων, επιτρέποντας στους επιστήμονες να παρατηρήσουν τις χημικές αντιδράσεις στην εξέλιξή τους. Οι φωτεινοί παλμοί είναι επίσης αρκετά λαμπροί, ώστε να επιτρέπουν τη φωτογράφιση πρωτεϊνών και άλλων βιολογικών μορίων, που στάθηκε πολύ δύσκολο να μελετηθούν με άλλες λιγότερο ισχυρές πηγές ακτίνων-Χ.

Ανιχνευτές μέσα σε θαλάμους κενού όπως αυτό μπορούν να καταγράψουν εικόνες υπερυψηλής ανάλυσης, μορίων πρωτεϊνών και κυττάρων

Το λέιζερ ακτίνων-Χ συνενώνει δύο από τα βασικότερα εργαλεία που χρησιμοποιούνται σήμερα από τους πειραματικούς φυσικούς: Τις πηγές φωτός από σύγχροτρα και τα πολύ γρήγορα λέιζερ. Τα σύγχροτρα είναι κυκλικοί επιταχυντές σωματιδίων. Ηλεκτρόνια που κάνουν κύκλους μέσα σ' αυτά εκπέμπουν ακτίνες-Χ, που μπαίνουν σε όργανα κατανεμημένα στην περιφέρεια των σύγχροτρων. Οι ακτίνες-Χ είναι ιδανικές για τη μελέτη σε βάθος του εσωτερικού των ατόμων, των μορίων και των νανοσυστημάτων, επειδή έχουν μήκος κύματος ανάλογο με το μέγεθος των ατόμων και γι' αυτό τα άτομα ρίχνουν σκιά όταν φωτίζονται από ακτίνες-Χ. Επιπλέον, οι ακτίνες-Χ μπορούν να ρυθμιστούν, ώστε να ξεχωρίζουν συγκεκριμένα είδη ατόμων, όπως αυτά του σιδήρου και να δείχνουν πού ακριβώς βρίσκονται μέσα σε ένα στερεό, ή μέσα σε ένα μεγάλο μόριο όπως της αιμογλοβίνης.
Ομως, οι παλμοί ακτίνων-Χ των σύγχροτρων δεν είναι αρκετά λαμπροί και σύντομοι, ώστε να καταγράψουν την κίνηση των ατόμων μέσα σε ένα μόριο ή στερεό. Είναι αυτό ακριβώς που μπορούν να κάνουν οι ακτίνες-Χ των λέιζερ, σαν το LCLS.