سردترین نقطه زمین کجاست؟ در قطب جنوب و سیبری دنبالش نگردید!

به نظرتان سردترین مکان روی کره زمین کجاست؟ اگر به اعماق قطب جنوب فکر می‌کنید، در اشتباهید. جایی روی سطح کره زمین و در کالیفرنیا از همه جا سردتر است (یا دست کم همین مکان در زیر زمین) و این دقیقا برخلاف چیزی است که اکثر ما فکر می‌کنیم.

در اعماق پارک منلو در Golden State، ماشینی به طول ۴۸۰۰ متر مشغول به کار است و دانشمندان این تونل را حتی از عمیق‌ترین نقاط فضا هم سردتر نگاه می‌دارند.

دما در این فضای کوچک در کالیفرنیا ۲۷۱- سانتی‌گراد، یعنی کمی بالاتر از صفر مطلق (دمایی فرضی که در آن تمام حرکات اتمی متوقف می‌شوند) است و این خودش یک دستاورد بزرگ علمی به شمار می‌رود.

اما دلیل ایجاد چنین دمایی در این منطقه هم درنوع خودش جالب توجه است. دلیل ایجاد و حفظ چنین دمایی این است که دانشمندان دپارتمان آزمایشگاه ملی شتاب دهنده SLAC بتوانند قوی‌ترین لیزر پرتو ایکس جهان که Linac Coherent Light Source یا به طور خلاصه (LCLS II) نامیده می‌شود را مورد استفاده قرار دهند. این دستگاه در حقیقت نسخه جدید و ارتقا یافته لیزر اشعه ایکس بدون الکترون LCLS (یعنی XFEL) است.

لیزر LCLS-II اولین پرتو‌های تابشی پرانرژی اش را در دوازدهم سپتامبر ۲۰۲۳ تولید کرد و با آن "نور اول" عصر جدید هیجان‌انگیزی از تحقیقات مبتنی بر اشعه ایکس را در طیف گسترده‌ای از مباحث علمی آغاز شد.

LCLS-II وقتی با تمام توان فعالیت کند، می‌تواند در هر ثانیه حدود یک میلیون پالس اشعه ایکس را پمپ کند که حدود ۸هزار برابر بیشتر از نسخه قبلی خود است که قادر به ایجاد حدود ۱۲۰ پالس پرتو ایکس در ثانیه بود. این بدین معنی است که LCLS-II می‌تواند یک پرتو اشعه ایکس ده هزار برابر پرنورتر از نسخه قبلی ایجاد کند و بدین ترتیب این قوی‌ترین لیزر اشعه ایکسی است که تا به امروز ساخته و تولید شده است.

گرگ هایس، مدیر پروژه LCLS-II در این باره گفت: «LCLS-II نشان دهنده یک تعدیل یا تغییر پارادایم قابل توجه برای علم است. قطار پیوسته پالس‌های اشعه ایکس برای دانشمندان سوژه بسیار جذابی است.»

در حال حاضر هزاران محقق در حال انجام تحقیقاتی با این آزمایش‌ها هستند. اما این سوال مطرح می‌شود که دانشمندان برای چه امری به چنین لیزر پرتو ایکس پرقدرتی نیاز دارند؟

فیلمبرداری از مولکول‌ها و پیشرفت فیزیک کوانتومی

کلید کاربرد بی‌سابقه استفاده از LCLS-II، توانایی این دستگاه در تولید پالس‌های نوری پرانرژی در هر ثانیه و تمرکز این پالس‌ها بر روی مناطق دقیقی است که به لطف طول موج‌های کوتاه اشعه ایکس به دست می‌آیند. این به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا عکس‌هایی از واکنش‌هایی که در سطح اتمی در مقیاس یک میلیاردم یک میلیونیم یک ثانیه در حال وقوع است (از فمتو ثانیه تا آتوثانیه) را ثبت کنند. در حقیقت محققان می‌توانند به لطف LCLS-II، برخی از کوچکترین و کوتاه‌ترین فیلم‌های ممکن را بسازند.

LCLS-II در عین حال این امکان را برای محققان فراهم می‌کند تا رویداد‌های شیمیایی که در مقیاس‌های زمانی بسیار کوچک اتفاق می‌افتند را رویت و ثبت کرده و فیلم‌های مولکولی کوتاه و دقیقی بسازند. در علم زیست‌شناسی، این به معنای توانایی دیدن آشفتگی زندگی است (ورود به فرآیند‌هایی مثل فتوسنتز و عملکرد پروتئین‌ها با سرعت‌های بالا و مقیاس‌هایی که تا پیش از این امکان پذیر نبود)

در نتیجه LCLS-II می‌تواند به شکل بالقوه درک دانشمندان از مکانیزم‌هایی که زندگی را ممکن می‌کنند، متحول کرده و در سطح عملی، این مطالعه برروی مولکول‌های بیولوژیکی می‌تواند منجر به توسعه و تولید دارو‌های جدید شود.

مقیاس‌های زمانی که LCLS-II در آن‌ها عمل می‌کنند، با مقیاس‌هایی که الکترون‌ها در سیستم‌های پیچیده حامل انرژی به حرکت در می‌آیند، برابری می‌کند. نظارت بر جریان انرژی، فرصت مشاهده ساختار داخلی مواد مختلف در مقیاس اتمی را فراهم می‌نماید.

این بدان معناست که LCLS-II می‌تواند به دست‌یابی به قلب مواد شگفت‌انگیزی مثل گرافن که ویژگی‌های حیرت‌آور و غیرقابل درکی که ناشی از فیزیک کوانتومی است را نشان می‌دهد، کمک می‌کند. چنین ویژگی‌هایی سنگ بنای کامپیوتر‌های کوانتومی سریع آینده و ارتباطات کوانتومی ایمن را شکل خواهند داد

از جمله دیگر زمینه‌هایی که می‌توان از این لیزر اشعه ایکس قدرتمند در آن‌ها بهره برد، می‌توان به ساخت پنل‌های خورشیدی با برداشت انرژی کارآمدتر و حتی تولید کود‌های مفیدتر و کم ضررتر اشاره کرد.

هایس ادامه داد: «بدین ترتیب ما می‌توانیم به فعل و انفعالات مولکولی نگریسته و از واکنش‌های شیمیایی و ترکیبات مولکولی فیلم بگیریم. این یک فرصت استثنایی برای دانشمندان است تا بتوانند از چنین ابزاری بهره برده و در چنین سطحی دینامیک شیمیایی را مورد ارزیابی قرار دهند.»

نحوه عملکرد قوی‌ترین لیزر اشعه ایکس دنیا

برای تولید یک میلیون پالس پرتو ایکس در یک ثانیه، LCLS-II به الکترون‌های آزاد شتاب می‌دهد و با استفاده از ابررسانا‌ها در اطراف یک مسیر طولانی ۴۸۰۰ متری، سرعت آن‌ها را به سرعتی نزدیک به سرعت نور می‌رساند. وقتی که الکترون‌ها وارد میدان مغناطیسی می‌شوند، شروع به نوسان می‌کنند و در این حال، اشعه ایکس ساطع خواهند کرد.

نکته خاص درباره LCLS-II و نسخه قبلی این دستگاه این است که این پرتو‌های اشعه ایکس، با طول موج‌های مشابهی ساطع می‌شوند که شرایط را برای مطالعه ماده در مقیاس اتمی، ایده‌آل خواهد کرد.

LCLS-II در حال حاضر تنها "اشعه ایکس نرم" تولید می‌کند که انرژی کمتر و طول موج بیشتری دارند. در آینده هرگونه ارتقا در این دستگاه به معنای قابلیت آن برای تولید اشعه ایکس سخت با انرژی بالا با طول موج خواهد بود که در نتیجه آن محققان قادر خواهند بود تا به پیوند‌های بین اتم رسیده و بررسی کنند که اتم‌های موجود در مولکول‌ها چطور نسبت به یکدیگر جهت‌گیری کرده و این چطور بر شیمی اثرگذار خواهد بود.

میزان گرمای ایجاد شده در پروسه تولید یک میلیون پالس اشعه ایکس در هر ثانیه آنقدر بالاست که اگر LCLS-II در دمای اتاق به فعالیت بپردازد، محفظه دستگاه به سرعت ذوب خواهد شد؛ بنابراین باید از این دستگاه در دمایی سردتر از دمای فضا استفاده کرد.

هایس در این باره گفت: «یخچالی که ما برای خنک کردن این ماشین استفاده می‌کنیم، یک یخچال با هلیوم مایع است و خود دستگاه به خودی خود، یک قطعه مهندسی حیرت‌آور است. زمانی که دستگاه کاملا مشغول به کار باشد، حدود ۱۰ مگاوات برق مصرف می‌کند که این فقط انرژی‌ای است که برای سردتر نگه داشتن ماشین از فضای بیرونی به آن نیاز خواهیم داشت و تقریبا چهار یا پنج برابر بیشتر از چیزی است که برای شتاب دادن به پرتو الکترونی از آن استفاده می‌کنیم. بدین ترتیب بیشترین مصرف برق LCLS-II صرف یخچال آن می‌شود.»

در ساخت و بهره برداری از LCLS-II از گستره عظیمی از علوم مختلف استفاده شده، ولی رشد علمی همیشه هزینه‌هایی را نیز در بردارد. ارتقا LCLS به حدود ۱.۱ میلیارد دلار هزینه نیاز داشت و طبق گفته هایس، از نظر زمانی، برنامه‌ریزی‌ها برای LCLS-II حدود ۱۲ سال طول کشید و مدیر پروژه نیز زمان زیادی را بر روی این پروژه سرمایه‌گذاری کرده است. اما همه این تلاش‌ها ارزشش را داشته؛ چرا که این دستگاه حالا با تمام توان مشغول به کار است.

هایس ادامه داد: «من از ابتدای کار یعنی در سال ۲۰۱۱ در پروژه LCLS-II حضور داشتم و این بخش مهمی از زندگی من یعنی ۲۵% عمرم صرف ساخت این دستگاه شده. ر نتیجه من حس رضایت و هیجان زیادی دارم تا بدانم که این دستگاه برای نسل بعد و برای ۲۵ سال آینده اینجا خواهد بود. بی صبرانه منتظرم تا ببینم که LCLS-II چه تاثیری بر علوم و دنیای ما خواهد داشت.»