Alguns dos maiores mistérios da ciência se revelam nas menores escalas. Pesquisadores que investigam fenômenos superpequenos – da natureza quântica da supercondutividade à mecânica que impulsiona a fotossíntese – vêm ao  Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia para usar a  Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS). 

Como um microscópio gigante, o LCLS envia pulsos de raios X ultrabrilhantes para um conjunto de instrumentos científicos especializados. Com essas ferramentas, os cientistas tiram fotos nítidas dos movimentos atômicos, observam o desenrolar de reações químicas, investigam as propriedades dos materiais e exploram processos fundamentais nos seres vivos. 

Após mais de  uma década de descobertas , o LCLS recebeu uma  atualização significativa – conhecida como LCLS-II – que aumentará sua taxa de pulso de raios X de 120 para um milhão de pulsos por segundo. Esse aumento de cerca de dez mil vezes permitiu que os cientistas reinventassem seu conjunto de ferramentas científicas, renovando as ferramentas existentes e projetando novas para responder a questões que antes eram impossíveis de resolver

Duas dessas ferramentas, os instrumentos qRIXS e chemRIXS, utilizam uma técnica chamada espalhamento inelástico de raios X ressonante (RIXS). Com esse método, os pesquisadores bombardeiam uma amostra com pulsos de raios X, excitando os elétrons em seu interior e liberando o excesso de energia na forma de luz. Os pesquisadores usam essa luz para reconstruir a reação e estudar as propriedades de um material em detalhes.

Por sua natureza, as medições RIXS são muito "famintas por fótons", explicou Georgi Dakovski, cientista-chefe do SLAC e líder do instrumento qRIXS. A maioria dos raios X é absorvida ou desviada do detector durante os experimentos. Para cada bilhão de fótons que atingem a amostra, apenas um alcançará o detector. "Com a taxa de pulso original do LCLS, capturar apenas um punhado de fótons era uma obra de arte. Tivemos que esperar muito tempo para coletar dados suficientes para obter resultados significativos", disse Dakovski.

Mas agora, o LCLS produz entre 100 e 10.000 vezes mais pulsos de raios X por segundo. As medições do RIXS, que antes levavam dias, agora produzem resultados em minutos ou até segundos.

“O aumento já causou uma mudança incrível”, disse Dakovski. “Os dados não só estão chegando mais rápido e com uma clareza nunca vista antes, como também nos ajudam a ver como os materiais se transformam ao longo do tempo. Podemos observar como a energia flui através do material e como os componentes atômicos interagem. Podemos criar 'filmes' quadro a quadro dos processos dinâmicos. Isso só é possível graças à maior taxa de pulso de raios X do LCLS.”

A atualização possibilitou a estreia do qRIXS nesta primavera: um instrumento robusto com um espectrômetro de 3,6 metros de comprimento que gira 110 graus. A ferramenta utiliza o RIXS para investigar a dinâmica quântica de materiais cristalinos sólidos. Embora seu tamanho permita aos cientistas examinar um material de múltiplos ângulos com resolução excepcional, ele também requer um enorme fluxo de raios X para produzir dados de qualidade. Esses recursos estão há muito tempo na lista de desejos da comunidade de usuários do LCLS, mas sua alta demanda por fótons os tornou impraticáveis até agora.

Atualmente, pesquisadores utilizam o qRIXS para estudar materiais como supercondutores de alta temperatura, que transmitem eletricidade com perda zero de energia. Compreender melhor os fenômenos quânticos por trás da supercondutividade pode nos ajudar a projetar computadores quânticos mais eficientes, dispositivos de ressonância magnética (RM) para aplicações médicas e redes elétricas potencialmente sem perdas em larga escala.

Enquanto o qRIXS se concentra em estudos de materiais quânticos, o chemRIXS é personalizado para analisar a química de amostras líquidas, desde água ultrapura até solventes químicos. O chemRIXS fornece aos pesquisadores uma visão detalhada dos processos químicos, como as etapas intermediárias da fotossíntese, o que pode um dia levar ao desenvolvimento de sistemas fotossintéticos artificiais.

Instalado em 2021, o chemRIXS já coletava dados na linha de luz LCLS há vários anos, antes da atualização do LCLS-II. Kristjan Kunnus, cientista da equipe do SLAC e líder do instrumento chemRIXS, afirmou que o aumento repentino nos raios X transformou as possibilidades de pesquisa desta ferramenta. "Anteriormente, não podíamos investigar solvatos de baixa concentração, então tivemos que usar concentrações mais altas que não refletiam completamente a química em condições realistas", disse Kunnus. "Agora, podemos analisar as amostras diluídas que são importantes em aplicações químicas e ainda obter dados de alta qualidade, o que simplesmente não era possível antes."

Na estação final da Ciência Atômica, Molecular e Óptica (TMO) resolvida no tempo, vários novos instrumentos estão aproveitando a atualização do LCLS-II para estudar como os elétrons iniciam processos em biologia, química e ciência dos materiais.

Um desses instrumentos, o Multi-Resolution Cookie Box (MRCO), apresenta um conjunto circular de 16 detectores de elétrons projetados para aproveitar ao máximo a maior taxa de repetição do LCLS. Combinando esse sistema de última geração com os pulsos de laser ultrarrápidos do LCLS, os pesquisadores podem identificar o momento em que um elétron é ejetado de uma molécula. Eles também podem medir o espectro de energia e a distribuição angular dos elétrons ejetados com altíssima precisão. Juntas, essas medições ajudam os pesquisadores a entender como a carga e a energia são transferidas em sistemas moleculares em suas escalas de tempo naturais: apenas um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Em última análise, esta pesquisa testa os limites da teoria quântica e contribui para o desenvolvimento de catalisadores melhores e combustíveis mais eficientes.

“Não estamos mais limitados por essa janela estreita pela qual tínhamos que olhar antes”, diz Razib Obaid, cientista da equipe do SLAC e líder do instrumento do MRCO. “Esta atualização ampliou a janela do que podemos estudar em cada experimento.”

Outra novidade do TMO é o Microscópio de Reação Dinâmica, ou DREAM. Como o nome sugere, o DREAM é um poderoso microscópio de reação que permite aos pesquisadores estudar moléculas individuais em transformação química. O DREAM concentra o feixe de raios X em uma única molécula, removendo seus elétrons até que ela "exploda" e todas as ligações na molécula sejam quebradas. Os fragmentos explosivos são então detectados e usados para reconstruir uma imagem altamente detalhada da molécula. Ao compilar milhões dessas imagens, os pesquisadores podem, eventualmente, construir um filme molecular de uma reação química.

“Como se desenvolvem processos fotoquímicos – como a visão, a energia solar, a fotossíntese? Como o DNA canaliza energia ao absorver luz? Como um elétron se move de um lado da molécula para o outro? Esta ferramenta nos dá uma visão de como essas coisas funcionam em um nível fundamental”, disse James Cryan, cientista sênior do SLAC e líder do instrumento TMO.

Esta técnica inovadora depende totalmente da rápida taxa de pulso do LCLS. Para capturar completamente uma reação molecular, os pesquisadores precisam fotografá-la de quase um milhão de ângulos diferentes, o que exige milhões de disparos de raios X. Em 2020, a equipe construiu um protótipo para demonstrar suas capacidades na linha de luz original. Eles passaram uma semana coletando dados, mas coletaram apenas o suficiente para criar um único quadro do filme molecular que esperavam compilar.

“Com a configuração original, levaria anos para compreender completamente uma única reação”, disse Cryan. “Agora que o DREAM está operando na linha de luz LCLS atualizada, estamos obtendo uma visão totalmente nova desses processos. Esta atualização marcou um ponto de virada – tornou possível pesquisas antes impossíveis.”

O enorme aumento no volume de dados coletados no LCLS não está apenas possibilitando métodos de pesquisa inteiramente novos, mas também gerando conjuntos de dados massivos para o treinamento de modelos básicos de IA. Esses modelos de IA podem  ajudar os pesquisadores a coletar dados com mais eficiência  na busca por novos materiais e  auxiliar os operadores no ajuste das linhas de luz  em tempo real.

“Essa integração da tecnologia de IA está pronta para transformar o cenário da pesquisa, facilitando a descoberta científica acelerada”, disse Matthias Kling, diretor de ciência e Pesquisa e Desenvolvimento da LCLS.

Com seus recursos aprimorados e um novo conjunto de ferramentas, a atualização do LCLS-II ampliou a abrangência da pesquisa realizada no LCLS. Os pesquisadores estão atualmente analisando dados de experimentos iniciais, com muitos outros planejados para este ano. As descobertas possibilitadas por esses instrumentos avançados prometem aprofundar nossa compreensão dos processos fundamentais que moldam o nosso mundo.