目に見えないがゆえに、完全に理解できていないことがたくさんあります。個々の原子や分子の動きは静止画で捉えられていますが、その動きを動画で捉えるには、より高速でより多くの電力が必要です。これを実現するために、スタンフォード大学SLAC国立加速器研究所（SLACは以前はスタンフォード線形加速器センターの略称でした）の研究者たちは、信じられないほど高速（1兆分の1秒）で発射するX線レーザーを用いて、化学反応のストップモーション動画を撮影しています。このレーザーは長さ約3.2キロメートル（2マイル）にも及びます。そして今、このレーザーがアップグレードされるのです。
SLACは昨日、X線レーザー「Linac Coherent Light Source（線形加速器コヒーレント光源）」を10億ドルかけてアップグレードすると発表した。計画では、既存のレーザーの3分の1を撤去し、特殊部品を用いて再構築することで、8,000倍の速度と10,000倍の明るさを実現する。新しい部分は「LCLS-II」と名付けられる。
LCLSは、非常にありふれた現象を、しかし特異な方法で研究するために用いられています。「光合成を原子レベルで観察することで、より効率的な太陽電池パネルの製造方法を解明できるかもしれません。水素と酸素の結合がどのように形成されるかを観察することで、より効率的な燃料を開発できるかもしれません」と、LCLSプログラムのディレクターであるマイク・ダン氏は述べています。
「今日、これらのシステムを見るのは全く現実的ではありません」とダン氏は言う。「写真と映画の違いを考えれば、LCLSが世界に紹介されるまでの過程がどれほど大きな変化だったかが分かります。」
LCLSは、X線スペクトル内のテラワット単位の光を、非常に高速なバーストで一点に照射することで機能します。バースト自体はフェムト秒（1兆分の1秒）しか持続しません。現在の稼働状況では、この装置は1秒間に120回のバーストを発射できます。アップグレード後、LCLSは同じエネルギー量で1秒間に100万回のバーストを発射できるようになります。バーストの発生頻度は高くなる一方で、発生速度も大幅に速くなるため、1回のバーストに消費されるエネルギー量は削減されます。そのため、新しい1キロメートルのLCLSで1秒間に消費されるバーストのエネルギー量は、稼働を続ける古い2キロメートルのLCLSと同じになります。平均消費エネルギーは同じです。つまり、1回のバーストで消費されるエネルギーの総量は、熱いコーヒー1杯分のエネルギーに匹敵するのです。
ダン氏によると、この新しい部分は、それほど多くの光を必要としないが、時間に大きく依存する用途に使用されるとのことだ。酸素と水素が結合するフェムト秒の時間を正確に観測したい科学者は、LCLS-IIを使用することで、はるかに正確なデータを得ることができる。しかし、有機組織のようなより密度の高いサンプルの場合、SLACチームは、より明るいが速度が遅い、より強力なLCLS-Iを使用する予定だ。
実際のアップグレードは「超伝導加速器」に焦点が当てられています。現在、レーザーの導電材料の大部分は、ほとんどの家庭の配線と同様に銅で作られています。超伝導加速器は、ジェットエンジンやロケットに使用される金属であるニオブを主成分とする化合物を活用します。ニオブ化合物を華氏マイナス456度まで冷却すると、ほぼゼロの抵抗で電気を伝導し、導体全体にわたって電荷をより速く、より効率的に移動できるようになります。
これらの変更にもかかわらず、新しいシステムは従来のシステムとほぼ同じように機能します。電子はほぼ光速で巨大な磁石の間の経路を飛ばされます。磁石は電子を本来の経路から引き離し、X線を放射します。
予想通り、どちらの方法も大量のエネルギーを消費します。ダン氏によると、これらのプロジェクトのエネルギーコストは年間数百万ドルに上るとのこと。
この改修作業は米国エネルギー省の資金提供を受けており、2020年代初頭の稼働開始が予定されています。X線レーザーの既存部品は、2017年の6か月間と2018年から2019年の12か月間を除き、引き続き機能します。
