Модернизация передового источника синхротронного излучения в США: яркость мягкого рентгеновского излучения возрастёт как минимум в 100 раз

Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли (США) реализует проект модернизации синхротрона — передового источника света (ALS), планируя повысить возможности экспериментов с мягким рентгеновским излучением за счёт технологий нового поколения, что обеспечит более точную поддержку данных для исследований квантовых материалов, микроэлектроники, энергетических технологий, структурной биологии и научных исследований с применением искусственного интеллекта. Команда проекта работает в соответствии с целевыми сроками 2029 года.

С момента ввода в эксплуатацию в 1993 году передовой источник света на протяжении длительного времени обслуживал исследования в диапазонах мягкого рентгеновского, ультрафиолетового, инфракрасного и жёсткого рентгеновского излучения. Исследователи со всего мира использовали сфокусированные пучки, генерируемые этой установкой, для наблюдения структуры молекул и материалов на атомном масштабе; соответствующие результаты были процитированы в более чем 18 000 научных статей и легли в основу множества важных фундаментальных исследований.

После завершения модернизации ALS будет генерировать пучки мягкого рентгеновского излучения с более высокой фокусировкой и яркостью, как минимум в 100 раз превышающей текущий уровень. Пучки с более высокой яркостью и когерентностью помогут исследователям более чётко определять химические, магнитные и электронные свойства материалов, наблюдать поведение электронов и изменения химических реакций в реальном времени, что позволит получать более детальные и точные экспериментальные данные.

В области квантовых технологий модернизированный ALS расширит возможности таких методов исследований, как рентгеновское рассеяние и фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES), позволяя анализировать распределение электронов в квантовых материалах и спинтронных устройствах на масштабе около 10 нанометров, что обеспечит экспериментальную основу для проектирования квантовых устройств.

Микроэлектроника также является важным направлением применения модернизации ALS. Эта установка и её Центр рентгеновской оптики ранее обеспечивали фундаментальную поддержку исследований в области литографии в экстремальном ультрафиолете (EUV). С повышением яркости после модернизации исследователи продолжат изучение процессов реакции фоторезистивных материалов на молекулярном и нанометровом масштабе, что обеспечит понимание материалов и процессов для технологий производства микросхем следующего поколения, таких как EUV-литография со сверхвысокой числовой апертурой.

В области энергетических технологий модернизированный ALS позволит наблюдать каталитические реакции, процессы активации, деградации и выхода из строя материалов батарей с более высоким пространственным и временным разрешением, помогая исследователям понимать изменения структуры заряженных частиц внутри батарей и детали каталитических реакций, что обеспечит основу для разработки новых типов батарей и связанных с ними энергетических систем.

Биологические исследования также выиграют от этой модернизации. На линиях рентгеновской кристаллографии и малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) ALS будут установлены новые аппаратные и программные средства, а также будет создан объект для подготовки образцов для кристаллографии. Эти возможности могут быть использованы для определения атомной структуры биомолекул, изучения конформационных изменений таких биомолекул, как белки, и обеспечения экспериментальной поддержки для разработки лекарственных препаратов.

Кроме того, модернизированный ALS будет генерировать наборы данных более высокого качества и пропускной способности, которые могут быть использованы для обучения моделей искусственного интеллекта, помогая прогнозировать физические и химические реакции. В сочетании с роботизированными системами обработки образцов и автоматизированными инструментами анализа исследовательские группы надеются ещё больше повысить эффективность экспериментов, ускоряя переход от наблюдений на нанометровом масштабе к инновациям в области материалов.