Mi a fejlett fotonforrás? Hogyan készülnek az ultraibolya fénysugarak?

4 órakor van, és körülbelül 20 órát töltöttem egyenesen. A hangos riasztás elhomályosul, és piros villogó fény villog. Egy szigorú hang bejelenti: „B. keresőállomás. Kilépés azonnal.” Vészhelyzetnek tűnik, de nem. Tény, hogy a riasztás ma már 60 vagy 70-szer kiesett. Ez egy figyelmeztetés, amely lehetővé teszi, hogy mindenki a környéken tudja, hogy egy nagy teljesítményű röntgensugarat robbantok egy kis szobába, tele elektronikus berendezésekkel és folyékony nitrogéngőzökkel.

Ennek a teremnek a központjában, amelyet B állomásnak neveznek, egy apró üvegszál csúcsán egy vastagabb kristályt helyeztem el, mint egy emberi haj. Ezeket a kristályokat több tucat készítettem, és megpróbálom elemezni őket.

Ezek a kristályok szerves félvezető anyagokból készülnek, amelyeket számítógépes chipek, LED-es lámpák, okostelefon-képernyők és napelemek készítésére használnak. Pontosan meg akarom deríteni, hogy hol található a kristályok minden egyes atomja, milyen sűrűn csomagolták őket, és hogyan hatnak egymásra. Ez az információ segít nekem megjósolni, hogy mennyire áramlik át a villamos energia.

Ahhoz, hogy ezeket az atomokat láthassuk és meghatározzuk a szerkezetüket, szükségem van egy szinkrotron segítségére, amely egy hatalmas tudományos eszköz, amely egy kilométer hosszú elektronhurkot tartalmaz, amely közel a fénysebességhez közeledik. Szükségem van egy mikroszkópra, egy giroszkópra, folyékony nitrogénre, egy kis szerencsére, egy tehetséges kollégámra és egy triciklire.

A kristály elhelyezése a helyszínen

A kísérlet első lépése magában foglalja a szuper apró kristályok elhelyezését az üvegszál csúcsán. Tűt használok egy halomból egy üveglemezre, és mikroszkóp alá helyezem. A kristályok szépek - színesek és homályosak, mint a kis drágakövek. Gyakran találom magam átfedve, alváshiányos szemekkel bámulva a mikroszkópba, és a fókuszt a tekintetemre fókuszálom, mielőtt egy üvegszál hegyére szorgalmasan koaxizálnék.

Miután megkaptam a rosthoz csatolt kristályt, elkezdem a gyakran frusztráló feladatot, hogy a kristályt a giroszkóp csúcsára helyezzük a B állomáson belül. Ez az eszköz lassan és folyamatosan centrifugálja a kristályt, így X- röntgenfelvételek minden oldalról.

Pörgetésekor folyékony nitrogéngőz kerül felhasználásra, hogy lehűljön: Még szobahőmérsékleten az atomok oda-vissza vibrálnak, ami megnehezíti, hogy világos képet kapjanak róluk. A kristály hűtése a mínusz 196 Celsius fokig, a folyékony nitrogén hőmérséklete miatt az atomok nem mozognak annyira.

Röntgenfotózás

Amint megkaptam a kristályközpontú és hűtött, bezárom a B állomást, és a számítógépen kívüli számítógépvezérlő csomópontról röntgensugárral robbantani a mintát. A kapott kép, amelyet diffrakciós mintának neveznek, világos foltként jelenik meg narancssárga alapon.

Amit én csinálok, nem nagyon különbözik attól, hogy fényképezzen fényképezőgéppel és vakuval. Hamarosan fénysugarakat küldök egy objektumra, és rögzítem, hogy a fény hogyan ugrál ki belőle. De nem tudok látható fényt használni atomok fényképezéséhez - túl kicsi, és a fény látható hullámhosszai a spektrum látható részén túl nagyok. Az X-sugarak rövidebb hullámhosszúságúak, ezért az atomokat diffúzálják, vagy ugrálják.

A kamerával ellentétben azonban a diffúz röntgensugarak nem lehetnek egyszerű objektívek. A fényképhez hasonló kép helyett az összegyűjtött adatok egy olyan céltalan minta, ahol a röntgensugarak elmentek, miután a kristályom atomjait visszavágták. Az egy kristályról szóló teljes adatkészlet a kristály körüli minden szögből készült képekből áll, amint a giroszkóp azt forog.

Haladó matematika

Kollégám, Nicholas DeWeerd ül a közelben, elemezve a már összegyűjtött adathalmazokat.Sikeresen hagyta figyelmen kívül a blaring riasztásokat és villogó fényeket órákig, a képernyőn lévő diffrakciós képeket nézve, hogy ténylegesen a kristály minden oldaláról készített röntgenképeket a kristályon belüli atomok képévé alakítsa.

Az elmúlt években ez a folyamat évek óta gondos számításokat tett kézzel, de most számítógépes modellezést használ az összes darab összeszerelésére. Kutatócsoportunk nem hivatalos szakértője a puzzle ezen részén, és szereti. - Olyan, mint a karácsony! - hallottam, hogy mutog, amikor a diffrakciós minták csillogó képein átfordul.

Mosolyogok arra a lelkesedésre, amire sikerült ennyire késő estig tartani, amikor a szinkotronot felgyújtom, hogy megkapjam a képeket a B. állomáson fekvő kristályról. Lélegzetem, mint a diffrakciós minták az első néhány szögből a képernyőn.. Nem minden kristály diffúz, még akkor sem, ha mindent tökéletesen beállítottam. Gyakran ez azért van, mert minden kristály sok kisebb kristályból áll, amelyek egymáshoz vannak ragasztva, vagy olyan kristályok, amelyek túl sok szennyeződést tartalmaznak, hogy ismétlődő kristályos mintát képezzenek, amit matematikailag megoldhatunk.

Ha ez nem nyújt tiszta képeket, el kell kezdem, és meg kell adnom egy újat. Szerencsére ebben az esetben az első néhány felbukkanó kép fényes, világos diffrakciós foltokat mutat. Mosolyogok és ülök vissza, hogy összegyűjtsem a többi adatot. Most, amikor a giroszkóp örvénylődik, és a röntgensugár robbantja a mintát, pár perc van a kikapcsolódásra.

Kávét iszok, hogy éberen maradjak, de a kezem már rázza a koffein túlterhelését. Ehelyett felhívom Nick-et: „Egy kört fogok venni.” Elmegyek a közelben ülő triciklik csoportjához. Általában csak a szinkrotront tartalmazó nagy épület körül kerülnek, és ugyanolyan hasznosnak találom őket, ha egy kétségbeesett kísérletet akarok valamilyen gyakorlással felébredni.

Ahogy lovagolok, a giroszkópra szerelt kristályra gondolok. Hónapokat szintetizáltam, és hamarosan kapok egy képet róla. A képpel megértem, hogy az általam elvégzett módosítások, amelyek kissé eltérnek a múltban készített más anyagoktól, egyáltalán javultak. Ha jobb csomagolást vagy fokozott intermolekuláris kölcsönhatásokat látok, ez azt jelenti, hogy a molekula jó jelölt az elektronikus eszközök teszteléséhez.

Kimerült, de boldog, mert hasznos adatokat gyűjtek, lassan pedálom a hurok körül, megjegyezve, hogy a szinkrotron nagy a kereslet. Amikor a gerincvonal fut, a nap 24 órájában használják, ezért az éjszaka folyamán dolgozom. Szerencsém volt egy időrésszel. Más állomásokon más kutatók, mint én, késő este dolgoznak.

Ezt a cikket eredetileg Kerry Rippy a The Conversation című kiadványában jelentette meg. Olvassa el az eredeti cikket itt.