Tagumpay ng Laser sa Dalian: Pagsulong ng Tsina sa mga Free-Electron Laser na may Extreme Ultraviolet

Mahalagang Tagumpay ng Dalian Advanced Light Source sa Laser

Sa isang makasaysayang tagumpay para sa pandaigdigang agham at teknolohiya, matagumpay na pinaandar ng mga mananaliksik na Tsino sa unang pagkakataon sa Dalian, lalawigan ng Liaoning, ang isang electron beam sa repetition rate na isang megahertz. Mahalaga itong pagsulong para sa proyektong Dalian Advanced Light Source (DALS), isang pasilidad ng susunod na henerasyong extreme ultraviolet (EUV) free-electron laser (FEL). Hindi lamang pinagtitibay ng tagumpay na ito ang posisyon ng Tsina sa unahan ng pagbuo ng mga advanced light source, kundi nagbubukas din ito ng mga bagong posibilidad para sa pananaliksik sa pisika, kimika, biyolohiya, at agham ng mga materyales.

Ano ang Dalian Advanced Light Source at Bakit Ito Mahalaga?

Inaasahang magiging makabagong pasilidad na pang-agham ang Dalian Advanced Light Source, na idinisenyo upang lumikha ng napakaliwanag at magkakaugnay na mga sinag ng EUV light gamit ang teknolohiyang free-electron laser. Di-gaya ng mga karaniwang laser, gumagamit ang mga FEL ng mga electron beam na bumibiyahe nang napakabilis sa mga magnetikong estruktura (na tinatawag na undulator) upang lumikha ng liwanag na may mga wavelength na hindi kayang abutin ng tradisyonal na mga pamamaraan. Dahil dito, natatangi ang kakayahan ng mga FEL na magsiyasat sa mikroskopikong daigdig sa antas ng mga atomo at molekula, at magamit sa mga larangang mula sa pundamental na pisika hanggang sa makabagong pagmamanupaktura at mga agham pangkalusugan.

Pinangungunahan ang proyektong DALS ng akademisyan na si Yang Xueming at mananaliksik na si Zhang Weiqing mula sa Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) ng Chinese Academy of Sciences. Tinutugunan ng kamakailang tagumpay ng kanilang pangkat sa paglikha ng matatag na mga electron beam na may mataas na repetition rate ang isa sa pinakamahihirap na teknikal na hamon sa pagtatayo ng FEL. Bilang unang pasilidad ng FEL sa Tsina para sa mga gumagamit at nag-iisang pasilidad sa buong mundo na eksklusibong nagpapatakbo sa rehiyong EUV, inaasahang magiging saligan ang DALS ng mga tuklas na pang-agham at inobasyong teknolohikal.

Pag-unawa sa mga Free-Electron Laser

Madalas tawaging “ikaapat na henerasyon” ng mga advanced light source ang mga free-electron laser. Di-gaya ng mga tradisyonal na laser na umaasa sa mga partikular na materyales upang lumikha ng liwanag, gumagamit ang mga FEL ng mga daloy ng electron na pinabibilis nang halos singbilis ng liwanag. Habang dumaraan ang mga electron na ito sa mga undulator, naglalabas ang mga ito ng liwanag na maaaring iakma sa malawak na saklaw ng mga wavelength, mula infrared hanggang X-ray. Dahil sa kakayahang umangkop na ito, kasama ng kakayahang lumikha ng napakaikling mga pulso at liwanag na napakataas ng ningning, naitatala ng mga FEL ang napakabilis na mga proseso at natutukoy ang mga estruktura sa antas atomiko.

Naipakita na ng Dalian Coherent Light Source (DCLS), na nauna sa DALS, ang kakayahan ng mga FEL sa pamamagitan ng paghahatid ng mga optical beam sa saklaw na 50-150 nm, na may tagal ng pulso na kasing-ikli ng 100 femtosecond (isang quadrilyon bahagi ng isang segundo). Dahil sa mga kakayahang ito, napagmamasdan ng mga siyentipiko nang real time ang galaw ng mga electron, pagbabago ng mga molekula, at mga paglipat ng yugto ng mga materyales.

Paano Nakamit ang Tagumpay?

Bunga ng maraming taong pagtutulungan at inobasyong teknolohikal ang kamakailang tagumpay sa Dalian. Mula nang ilunsad ang proyekto noong 2020, nagtulungan ang DICP at Institute of Advanced Light Source Facilities sa Shenzhen upang bumuo ng hanay ng mga pangunahing teknolohiyang kailangan para mapatakbo ang FEL. Kabilang dito ang:

• Isang electron gun na may photocathode na kayang lumikha ng de-kalidad na mga electron beam
• Mga ultrafast laser system para sa tumpak na tiyempo at pagkontrol
• Mga solid-state na pinagmumulan ng radio-frequency power para sa matatag na pagpapabilis
• Mga superconducting accelerator module na nagbibigay-daan sa tuluy-tuloy na operasyon
• Mga sistemang nagpapalamig gamit ang cryogenic helium upang mapanatili ang superconductivity

Lalo nang mahirap lumikha ng mga electron beam sa repetition rate na isang megahertz (isang milyong siklo bawat segundo) dahil kailangang mapanatili ang katatagan at kalidad ng mga ito. Ipinakikita ng tagumpay na ito na napagtagumpayan ng pangkat sa Dalian ang mga pangunahing teknolohiyang kailangan upang makabuo ng mga FEL sa susunod na henerasyon.

Ayon sa pangkat ng pananaliksik, “naglalatag ng matibay na pundasyon ang tagumpay na ito para sa susunod na yugto ng konstruksyon ng proyekto” at isa itong mahalagang pagsulong sa mas malawak na pagsisikap ng Tsina na magpaunlad ng mga makabagong pasilidad ng FEL.

Epekto sa Agham at Teknolohiya: Bakit Malaki ang Pagbabago ng mga FEL

Binabago ng mga free-electron laser tulad ng DALS ang pananaliksik na pang-agham sa pamamagitan ng pagbibigay ng mga kagamitang dati ay hindi maisip. Dahil kaya nilang lumikha ng magkakaugnay, naiaakmang, at napakaliwanag na liwanag sa mga rehiyong EUV at X-ray, nagagawa ng mga siyentipiko na:

• Siyasatin ang estruktura at galaw ng mga molekula at materyales nang may resolusyong atomiko
• Pag-aralan nang real time ang napakabilis na mga reaksiyong kemikal at prosesong biyolohikal
• Bumuo ng mga makabagong pamamaraan ng imaging para sa medisina at agham ng mga materyales
• Suportahan ang pagmamanupaktura ng mga semiconductor sa susunod na henerasyon sa pamamagitan ng EUV lithography

Halimbawa, nagbigay-daan ang Dalian Coherent Light Source sa mga eksperimento sa molecular photochemistry, aerosol mass spectrometry, at biological mass spectrometry. Sa paggamit ng mga EUV laser beam sa high-resolution mass spectrometry, mahusay na napaghihiwalay ng mga mananaliksik ang mga komplikadong biomolecule at nakakakuha sila ng detalyadong impormasyon tungkol sa estruktura ng mga ito, na nagsusulong sa mga larangang gaya ng proteomics at pagtuklas ng gamot.

Estratihikong Pananaw ng Tsina sa Teknolohiya ng FEL

Itinuturing ng Tsina na estratihikong prayoridad ang teknolohiya ng FEL para sa pag-unlad ng agham at teknolohiya. Ayon sa mga pambansang estratehiya sa pag-unlad, layunin ng bansa na makamit pagsapit ng 2035 ang mga pambihirang pagsulong sa long-wave FEL, X-ray FEL, at mga pinagmumulan ng EUV lithography light na nakabatay sa FEL. Sinusuportahan ang mga pagsisikap na ito ng mas malaking pamumuhunan sa pundamental na pananaliksik, pakikipagtulungan ng maraming panig, at pagbibigay-diin sa nagsasariling inobasyon.

Mahaba na ang kasaysayan ng Dalian Institute of Chemical Physics sa pangungunang pananaliksik sa catalysis, chemical engineering, at teknolohiya ng laser. Sinasalamin ng pamumuno nito sa proyektong DALS ang paninindigan ng Tsina na magtayo ng imprastrakturang pang-agham na pangmundo ang kalidad at magtaguyod ng bagong henerasyon ng mga siyentipiko.

Paghahambing ng DALS sa mga Pasilidad ng Light Source sa Buong Mundo

Sa buong mundo, binago ng ilang advanced light source facility ang pananaliksik sa structural biology, agham ng mga materyales, at kimika. Kabilang sa mga kilalang halimbawa ang Swiss Light Source at SwissFEL sa Switzerland, na nagbigay-daan sa mga pag-aaral ng macromolecule na mataas ang throughput at resolusyon. Gayunman, natatangi ang posisyon ng proyektong DALS bilang pasilidad ng EUV FEL na may tuluy-tuloy na operasyon at mataas na repetition rate, na nag-aalok ng mga kakayahang umaakma at nagdaragdag sa nagagawa ng mga kasalukuyang synchrotron at FEL source.

Karamihan sa mga pasilidad ng FEL sa buong mundo ay nagpapatakbo sa mga rehiyong X-ray o soft X-ray, samantalang idinisenyo ang DALS upang maghatid ng magkakaugnay na EUV light na may pambihirang resolusyon sa panahon at espasyo. Dahil dito, lalong mahalaga ito sa pag-aaral ng mga prosesong kinasasangkutan ng mga valence electron at sa mga aplikasyon sa makabagong pagmamanupaktura, gaya ng EUV lithography para sa paggawa ng mga semiconductor.

Mas Malawak na Epekto sa Agham, Industriya, at Lipunan

Malawak ang magiging epekto ng matagumpay na pagbuo sa DALS, lagpas sa pundamental na pananaliksik. Sa larangan ng malinis na enerhiya at teknolohiyang pangkapaligiran, naipakita na ng Dalian Institute of Chemical Physics ang pamumuno nito sa pamamagitan ng mga inobasyon sa catalysis, chemical engineering, at pag-iimbak ng enerhiya. Lalo pang palalakasin ng mga advanced na kakayahan ng DALS ang pananaliksik sa mga larangang ito, at magbibigay-daan sa pagdidisenyo ng mas episyenteng mga catalyst, pag-aaral sa mga proseso ng conversion ng enerhiya, at pagbuo ng mga bagong materyales para sa mga napapanatiling teknolohiya.

Sa industriya, mahalaga ang mga pinagmumulan ng EUV light na nakabatay sa FEL para sa susunod na henerasyon ng pagmamanupaktura ng semiconductor. Habang itinutulak ng mga gumagawa ng chip ang mga hangganan ng miniaturization, naging mahalaga ang EUV lithography sa paggawa ng mas maliliit, mas mabilis, at mas matipid sa enerhiyang mga integrated circuit. Sa pag-abot sa mga pangunahing teknolohiyang pinagbabatayan ng mga FEL, inihahanda ng Tsina ang sarili bilang pinuno sa pandaigdigang supply chain ng semiconductor.

Pagsasanay sa Susunod na Henerasyon ng mga Siyentipiko at Inhinyero

Nagsisilbi ring lugar ng pagsasanay para sa mga batang siyentipiko at inhinyero ang malalaking pasilidad na pang-agham tulad ng DALS. Sa pakikilahok sa makabagong pananaliksik at pagbuo ng teknolohiya, nagkakaroon ang mga estudyante at mananaliksik na nagsisimula pa lamang ng mahalagang karanasang naghahanda sa kanila para sa mga tungkulin sa pamumuno sa akademya, industriya, at pamahalaan. Mahalaga ang daloy ng mga talentong ito upang mapanatili ang inobasyon at matiyak na mananatili ang Tsina sa unahan ng mga tuklas na pang-agham.

Mga Hamon at mga Susunod na Hakbang

Sa kabila ng kamakailang tagumpay, nananatili ang malalaking hamon sa pagtatayo at pagpapatakbo ng Dalian Advanced Light Source. Nangangailangan ng patuloy na pagsulong sa teknolohiya ng accelerator, cryogenics, at mga sistema ng pagkontrol ang pagpapanatili ng matatag at de-kalidad na mga electron beam sa megahertz repetition rate. Mahalaga rin ang pagsasama ng pasilidad sa mas malawak na komunidad na pang-agham at pagtiyak ng bukas na akses para sa mga mananaliksik upang lubos na mapakinabangan ang epekto nito.

Binibigyang-diin ng pambansang estratehiya ng Tsina para sa teknolohiya ng FEL ang kahalagahan ng tuluy-tuloy na pamumuhunan, pagtutulungan ng maraming institusyon, at pagsasalin ng mga tagumpay na pang-agham tungo sa mga praktikal na aplikasyon. Habang sumusulong ang DALS mula sa prototype tungo sa ganap na operasyon, magsisilbi itong modelo para sa mga susunod na malalaking proyektong pang-agham sa Tsina at sa buong mundo.

Buod

• Nakamit ng mga siyentipikong Tsino sa Dalian ang kauna-unahang tagumpay sa mundo ng matatag na pagpapatakbo ng electron beam sa repetition rate na isang megahertz, isang mahalagang yugto para sa proyektong Dalian Advanced Light Source (DALS).
• Isang pasilidad ng free-electron laser na may extreme ultraviolet para sa susunod na henerasyon ang DALS, na idinisenyo upang magbigay ng napakaliwanag at magkakaugnay na liwanag para sa makabagong pananaliksik sa pisika, kimika, biyolohiya, at agham ng mga materyales.
• Naging posible ang tagumpay dahil sa mga pagsulong sa mga electron gun na may photocathode, ultrafast laser, superconducting accelerator, at cryogenic system, na binuo sa pamamagitan ng pagtutulungan ng Dalian Institute of Chemical Physics at mga katuwang nito sa Shenzhen.
• Binabago ng mga free-electron laser tulad ng DALS ang pananaliksik na pang-agham at mga pang-industriyang aplikasyon, kabilang ang pagmamanupaktura ng semiconductor at teknolohiya ng malinis na enerhiya.
• Layunin ng estratihikong pagtutok ng Tsina sa teknolohiya ng FEL na matiyak ang pamumuno nito sa mga advanced light source, magsulong ng inobasyon, at magsanay sa susunod na henerasyon ng mga siyentipiko.