Chińscy naukowcy osiągnęli ważny etap budowy jednego z najbardziej zaawansowanych urządzeń badawczych na świecie. Powstający w Szanghaju laser rentgenowski SHINE po raz pierwszy wytworzył promieniowanie, które w przyszłości posłuży do badania niezwykle szybkich procesów zachodzących wewnątrz materii. Instalacja, ukryta niemal 30 metrów pod ziemią, ma umożliwić obserwowanie zmian w strukturze cząsteczek z dokładnością dotychczas niedostępną dla wielu metod pomiarowych.

Do przełomu doszło 15 października 2026 roku. Podczas testu naukowcy wykorzystali nadprzewodzący akcelerator liniowy, który nadał elektronom energię 4 gigaelektronowoltów (GeV). Następnie skierowano je przez układ 18 specjalnych modułów magnetycznych, z których każdy mierzy cztery metry długości. W ten sposób uzyskano pierwszą wiązkę promieniowania lasera na swobodnych elektronach, potwierdzając prawidłowe działanie jednego z najważniejszych elementów instalacji.

SHINE, czyli Shanghai High Repetition Rate XFEL and Extreme Light Facility, jest jednym z największych chińskich przedsięwzięć w dziedzinie infrastruktury naukowej. Jego budowę rozpoczęto w kwietniu 2018 roku w dzielnicy Pudong, na terenie szanghajskiego parku technologicznego Zhangjiang.

Podziemny kompleks ma 3,11 kilometra długości i znajduje się na głębokości około 29 metrów. Obejmuje tunele akceleratora, instalacje magnetyczne, linie transportujące promieniowanie oraz stanowiska do prowadzenia eksperymentów. Całość zaprojektowano z myślą o badaniach wymagających wyjątkowo intensywnych i krótkich impulsów promieniowania rentgenowskiego.

Jak zobaczyć ruch atomów i cząsteczek?

Tradycyjne metody badawcze pozwalają naukowcom poznawać strukturę materii, w tym białek, kryształów i innych złożonych układów. Znacznie trudniejsze jest jednak uchwycenie zmian zachodzących w ich wnętrzu, ponieważ wiele procesów chemicznych i fizycznych trwa zaledwie ułamki bilionowej części sekundy.

SHINE ma pomóc pokonać tę barierę. Dzięki ultrakrótkim impulsom promieniowania rentgenowskiego badacze będą mogli wykonywać pomiary na kolejnych etapach reakcji, a następnie odtwarzać przebieg zachodzących przemian.

Można to porównać do różnicy między fotografią a filmem. Pojedyncze zdjęcie pokazuje określony stan obiektu, natomiast odpowiednio zestawiona seria obrazów pozwala prześledzić jego zmiany w czasie. W przypadku SHINE nie będzie to jednak tradycyjne nagranie, lecz rekonstrukcja oparta na danych uzyskanych podczas eksperymentów.

Po zakończeniu budowy akcelerator ma osiągać energię elektronów wynoszącą 8 GeV. Urządzenie będzie wytwarzało impulsy trwające zaledwie femtosekundy, czyli biliardowe części sekundy, z maksymalną częstotliwością miliona impulsów na sekundę.

Takie parametry pozwolą prowadzić pomiary z niezwykle wysoką rozdzielczością czasową, co ma szczególne znaczenie w badaniach procesów zachodzących na poziomie atomowym.

Od badań nad białkami po nowe materiały

Jednym z najważniejszych obszarów zastosowania SHINE będą nauki biologiczne. Naukowcy zamierzają wykorzystywać promieniowanie rentgenowskie do analizowania zmian strukturalnych białek oraz innych cząsteczek uczestniczących w procesach życiowych.

Uzyskane wyniki mogą pomóc lepiej zrozumieć działanie enzymów, przebieg reakcji biochemicznych czy sposób, w jaki poszczególne cząsteczki oddziałują ze sobą. Wiedza ta może w przyszłości znaleźć zastosowanie w badaniach nad nowymi lekami, szczególnie tam, gdzie istotne jest poznanie mechanizmów działania substancji na poziomie molekularnym.

Równie duże możliwości urządzenie otworzy przed fizykami i specjalistami zajmującymi się materiałoznawstwem. SHINE pozwoli analizować zachowanie materiałów kwantowych, badać przemiany ich struktury oraz obserwować reakcje zachodzące pod wpływem bardzo krótkich impulsów energii.

Z kolei w chemii i energetyce nowa instalacja może przyczynić się do lepszego poznania procesów istotnych dla rozwoju katalizatorów, technologii magazynowania energii i zaawansowanych materiałów przemysłowych.

Pod względem zastosowanej technologii SHINE należy do stosunkowo niewielkiej grupy przedsięwzięć badawczych na świecie. Podobne możliwości ma zapewnić amerykański system LCLS-II-HE, rozwijany w ramach modernizacji działającego już źródła promieniowania rentgenowskiego LCLS-II.

Chińska instalacja powstaje przy współpracy ShanghaiTech University oraz instytutów Chińskiej Akademii Nauk. Będzie częścią rozbudowanego ośrodka badawczego Zhangjiang, w którym funkcjonują już inne zaawansowane urządzenia wykorzystujące promieniowanie do badania właściwości materii.

Zakończenie budowy SHINE zaplanowano na koniec 2027 roku. Zanim kompleks rozpocznie pełną działalność naukową, konieczne będzie uruchomienie pozostałych elementów systemu, dostrojenie parametrów wiązek oraz przeprowadzenie kolejnych testów. Po ich pomyślnym zakończeniu ośrodek będzie mógł udostępnić swoje stanowiska eksperymentalne zespołom badawczym prowadzącym prace z zakresu fizyki, chemii, biologii i inżynierii materiałowej.

Źródła: ShanghaiTech University SHINE project office, Nuclear Science and Techniques, China Science Daily via CAS, Frontiers in Physics.