October 6, 2022

Dunia fisika sedang berkumpul di sekitar Large Hadron Collider CERN, sekarang online setelah peningkatan yang lama dan jeda selama bertahun-tahun. Tapi itu bukan satu-satunya mesin sains yang benar-benar menerima energi baru. Hampir 6.000 mil jauhnya, di sisi lain dunia, satu lagi sedang mengalami sentuhan akhir.

Laboratorium Akselerator Nasional SLAC, di selatan San Francisco, adalah rumah bagi laser besar yang disebut LCLS, yang memungkinkan para ilmuwan menggunakan sinar-X untuk mengintip molekul. “Cara berpikir tentang fasilitas seperti LCLS benar-benar seperti mikroskop resolusi super,” kata Mike Dunne, direktur fasilitas itu.

Sekarang, LCLS baru saja menyelesaikan peningkatan besar—disebut LCLS-II—yang membuat laser turun hanya beberapa derajat di atas nol mutlak.

Memberi akselerator partikel kehidupan baru

Setengah abad yang lalu, terowongan SLAC menampung akselerator partikel. Sementara sebagian besar akselerator partikel saat ini mengirim buruannya berputar-putar, akselerator ini benar-benar lurus. Untuk membawa elektron ke kecepatan untuk menghancurkan, itu harus lebih dari 2 mil panjangnya. Selama beberapa dekade setelah dibuka, itu adalah “bangunan terpanjang di dunia.” (Terowongan itu sangat khas, garis lurus sepanjang bermil-mil diukir di kaki bukit, sehingga pilot menggunakannya untuk mencari jalan.)

Ketika mulai online pada tahun 1966, apa yang disebut Stanford Linear Accelerator ini adalah keajaiban teknik. Dalam dekade berikutnya, penelitian fisika partikel yang dilakukan di sana menghasilkan tidak kurang dari tiga hadiah Nobel dalam fisika. Tetapi pada abad ke-21, itu telah menjadi semacam peninggalan, dilampaui oleh akselerator lain di CERN dan di tempat lain yang dapat menghancurkan partikel dengan energi yang jauh lebih tinggi dan melihat hal-hal yang tidak dapat dilihat oleh Stanford.

Namun bangunan sepanjang 2 mil itu tetap ada, dan pada tahun 2009, SLAC melengkapinya dengan mesin baru: Linac Coherent Light Source (LCLS).

See also  Logam yang paling luar biasa | Ilmu pengetahuan populer

LCLS adalah contoh peralatan yang disebut laser elektron bebas sinar-X (XFEL). Meskipun laser, tidak memiliki banyak kesamaan dengan laser pointer genggam kecil yang menggairahkan anak kucing. Mereka membuat sinar laser menggunakan komponen elektronik seperti dioda.

Sebuah XFEL, di sisi lain, memiliki lebih banyak kesamaan dengan akselerator partikel. Faktanya, itulah tahap pertama laser, mempercepat berkas elektron mendekati kecepatan cahaya. Kemudian, elektron-elektron itu melewati tantangan magnet yang memaksa mereka untuk zig-zag dalam pergantian cepat. Dalam prosesnya, elektron menembakkan energi besar mereka ke depan sebagai sinar-X.

Pistol elektron itulah sumber sinar. Lab Marilyn Chung/Berkeley melalui SLAC

Melakukan hal ini dapat menciptakan segala macam gelombang elektromagnetik dari gelombang mikro hingga ultraviolet hingga cahaya tampak. Tetapi para ilmuwan lebih suka menggunakan sinar-X. Itu karena sinar-X memiliki panjang gelombang yang kira-kira seukuran atom, yang ketika difokuskan dalam sinar yang kuat, memungkinkan para ilmuwan untuk mengintip ke dalam molekul.

[Related: Scientists are putting the X factor back in X-rays]

LCLS berbeda dari kebanyakan sumber sinar-X lainnya di dunia. Sinar California bekerja seperti lampu sorot. “Setiap kilatan menangkap gerakan molekul itu dalam keadaan tertentu,” kata Dunne.

LCLS awalnya bisa menembak 100 kilatan per detik. Itu memungkinkan para ilmuwan untuk membuat, katakanlah, sebuah film tentang reaksi kimia yang terjadi. Mereka bisa melihat ikatan antara atom terbentuk dan pecah dan melihat molekul baru. Mungkin segera dapat membuat film dengan kecepatan bingkai ribuan kali lebih cepat.

Mendinginkan laser

Dalam iterasi pertamanya, LCLS menggunakan struktur tembaga untuk mempercepat elektronnya. Tetapi meningkatkan kekuatan seluruh mesin telah mendorong batas tembaga itu. “Tembaga hanya menarik terlalu banyak arus, sehingga meleleh, seperti saat Anda menyambungkan kabel di kotak sekering Anda,” kata Dunne.

See also  Inilah tampilan paling detail dari Europa Jupiter

Ada cara untuk mengatasinya: efek kuantum aneh yang disebut superkonduktivitas.

Saat Anda menurunkan material melewati suhu kritis tertentu, hambatan listriknya hampir tidak ada. Kemudian, Anda dapat secara fungsional membuat arus mengalir tanpa batas, tanpa kehilangan energi ke sekelilingnya, sebagai panas.

LCLS jauh dari laser pertama yang menggunakan teknologi seperti ini. Masalahnya adalah mencapai suhu itu—biasanya hanya beberapa derajat di atas nol mutlak—bukanlah prestasi kecil.

[Related: Scientists found a fleeting particle from the universe’s first moments]

“Sangat sulit untuk mendukung sistem kriogenik yang mendingin hingga suhu yang sangat rendah ini,” kata Georg Hoffstaetter, fisikawan di Cornell University yang sebelumnya bekerja pada teknologi tersebut. Ada bahan superkonduktor yang beroperasi pada suhu yang sedikit kurang bersahabat, tetapi tidak ada yang bekerja di ruang yang panjangnya ratusan kaki.

Fasilitas yang lebih kecil mungkin terganggu oleh tantangan ini, tetapi SLAC membangun lemari es berukuran gudang di salah satu ujung struktur. Ia menggunakan helium cair untuk mendinginkan akselerator hingga -456°F.

Superkonduktivitas juga memiliki bonus untuk membuat pengaturan lebih hemat energi; fasilitas fisika besar terkenal menggunakan listrik sebanyak yang dilakukan negara-negara kecil. “Teknologi superkonduktor itu sendiri, dalam arti tertentu, merupakan teknologi hijau, karena begitu sedikit daya akselerator yang diubah menjadi panas,” kata Hoffstaetter.

Ketika pemutakhiran selesai, LCLS-II yang baru dan lebih baik akan mampu mengirimkan tidak hanya 100 pulsa per detik, tetapi sebanyak satu juta.

Apa yang harus dilakukan dengan sejuta bingkai per detik

Dunne mengatakan bahwa, secara kasar, ada tiga bidang utama di mana sinar dapat memajukan sains. Pertama, sinar X-ray dapat membantu ahli kimia memilah bagaimana membuat reaksi berjalan lebih cepat dengan menggunakan bahan yang lebih sedikit, yang dapat mengarah pada proses industri yang lebih ramah lingkungan atau panel surya yang lebih efisien.

See also  Apakah detektor LUX-ZEPLIN sudah menemukan materi gelap?

Selain itu, alat ini dapat membantu ahli biologi melakukan hal-hal seperti penemuan obat—melihat bagaimana obat-obatan memengaruhi enzim dalam tubuh manusia yang sulit dipelajari melalui metode lain.

Untuk yang ketiga, pancaran dapat membantu para ilmuwan material lebih memahami bagaimana suatu material dapat berperilaku dalam kondisi ekstrem, seperti rentetan sinar-X. Para ilmuwan juga dapat menggunakannya untuk merancang zat baru—seperti superkonduktor yang lebih baik untuk membangun mesin fisika masa depan seperti ini.

Laser elektron bebas sinar-X Linac Coherent dari SLAC ditempatkan di gedung ini.
Fasilitas sepanjang mil yang menampung laser elektron bebas sinar-X Linac Coherent SLAC. Laboratorium Akselerator Nasional SLAC

Tentu saja, ada tangkapan. Seperti halnya peningkatan besar pada mesin seperti ini, fisikawan perlu belajar cara menggunakan alat baru mereka. “Anda harus belajar bagaimana melakukan sains itu dari awal,” kata Dunne. “Ini bukan hanya apa yang Anda lakukan sebelumnya … Ini adalah bidang yang sama sekali baru.”

Satu masalah yang perlu dipecahkan oleh para ilmuwan adalah bagaimana menangani data yang dihasilkan laser: satu terabyte, setiap detik. Ini sudah menjadi rintangan yang dihadapi fasilitas besar, dan kemungkinan akan menjadi lebih parah jika jaringan dan superkomputer tidak dapat mengimbanginya.

Meski begitu, hal ini tidak menyurutkan semangat fisikawan untuk peningkatan. Para ilmuwan sudah merencanakan pembaruan lain untuk laser, yang ditetapkan untuk nanti di tahun 2020-an, yang akan meningkatkan energinya dan memungkinkannya untuk menyelidiki lebih dalam lagi ke dunia atom.