ASUの研究者は電力にダイヤモンドを使用

編集者注:これは、ASU の小型 X 線自由電子レーザーに取り組む研究者を紹介する 5 部構成のシリーズの 4 回目です。 他の記事もお読みください: リージェントのペトラ・フロム教授、CXFEL 研究所主任研究員のウィリアム・グレイブス、CXFEL 研究所所長のロバート・カインドル、CXFEL チーフエンジニアのマーク・ホールとの Q&A。

サム・タイテルバウムは学部生時代、物理学を非常に狭い範囲で見ていました。 サム・タイテルバウム助教授 全画像をダウンロード

「今では、物理学はどこにでも持ち運べるツールであり、さまざまな問題にアプローチするために使用できる考え方であることがわかりました」と彼は言います。

タイテルバウム氏は、アリゾナ州立大学バイオデザイン研究所で小型 X 線装置を構築する仕事にこのアプローチを取り入れています。 物理学科の助教授であり、応用構造発見バイオデザインセンターの主要メンバーでもあるタイテルバウム氏は、小型 X 線自由電子レーザー (CXFEL) の設計指導に貢献しています。

この Q&A の中で、タイテルバウムは自身の影響と情熱、ASU への道のり、そして学部生の頃の物理学に関する大きな疑問のいくつかが CXFEL でどのように一周するかについて語ります。

質問: CXFEL Labs でのあなたの役割は何ですか?

答え：正式には、私はCXFEL提案における量子材料アプリケーションの設計を担当しています。 私は、CXFEL レーザー システムのサブセット、特に追い越しジオメトリも担当しています。

非公式ですが、私は物事のトラブルシューティングが好きな実験家として活動しています。 つまり、日常的には、私は通常、CXFEL Labs にいて、レーザーに取り組んだり、機器を組み立てたりする学生を手伝い、ただ手伝うためにそばにいるということです。 研究室にいると引力がかかります。 非常に多くの機器があり、大規模な国立研究室とは異なり、すべての機器を操作して学生に使い方を教えることができます。 本当に楽しい場所です。

Q: どのような専門知識をチームにもたらしますか?

答え:私の研究では、材料がどのように変形するかを理解するために、自由電子レーザー、卓上レーザー、シンクロトロンなどを使用しています。 水を例に挙げると、氷は温度が上がると溶けます。 しかし、温度は単なる原子のランダムな動きであり、ノイズとして材料に蓄積されたエネルギーです。 そして、そのノイズが蓄積されるまでには時間がかかります。 私たちの機器を使用して、個々の分子が動作する非常に速い時間スケールで物質を観察することで、物質の特性について多くを学ぶことができました。 ノイズが蓄積するのに十分な時間がなかったため、温度が存在するとさえ言えないほど高速な相転移と呼ばれる変態を材料に起こさせることができる可能性があります。 物質には温度が必要ないという考えを利用して、物質の新しい相を作ることはできるでしょうか?

したがって、私がCXFELに持ち込むのは、小型X線光源の設計を導き、卓上レーザーとシンクロトロンで行った実験をここでの研究に適応させるための実験者としての私の経験です。

Q: 学術的なキャリアを通じて、CXFEL Labs での仕事に向けてどのような準備ができましたか?

答え:私は MIT で博士号を取得し、基本的に適切な場所に適切なタイミングで到達して、より良い教材を学習できるようにレーザー パルスを整形することに取り組みました。 通常、このような実験を行うときは、実験を何百万回も繰り返す必要があるため、材料がレーザーパルスが当たる前の状態に戻ることを望みます。 以前の状態に戻らない場合は、1 つのレーザー パルスから必要なすべての情報を取得する方法を見つける必要があります。

1 つのレーザー パルスで材料に関するすべての情報を取得するために私が使用していたものと同じ種類のテクニックが、CXFEL でレーザー アンジュレーターを構築するために使用されていることがわかりました。 レーザーパルスに体操をさせることは非常に便利な概念であり、これにより、材料の操作から材料から有用な情報の抽出まで、あらゆることが可能になります。

Q: CXFEL プロジェクトにおける課題の 1 つは何ですか。あなたとチームはそれをどのように克服していますか?

答え: CXFEL は、逆コンプトン散乱とエミッタンス交換という 2 つの概念を新しい方法で組み合わせたツールです。 エミッタンス交換により、電子束を正確に形成して、一度に X 線を放出することができます。 逆コンプトン散乱では、高出力レーザーを使用して電子ビームから X 線を生成します。

そのエミッタンス交換部分では、電子ビームにかなり厳しい要件が課されます。 すべてを機能させるには、レーザーが新しくてユニークなことを行う必要があります。これは、チーム全体を団結させるエキサイティングな設計課題を意味します。 これは、ASU のアプローチが本当に重要な領域です。 CXFEL のチームは他の XFEL よりも小規模です。 これを機能させるには、レーザー科学者、加速器物理学者、エンジニア、さらにはユーザー間の緊密な協力が必要であり、ソースを最大限に活用することができます。 私たちは多くの開発を並行して行っており、それは困難ではありますが、問題にアプローチする革新的な方法を考え出す機会でもあります。

Q: ASU がこれらの機器を製造するのに適した場所であるのはなぜですか?

答え:このようなプロジェクトがさまざまな分野や部門にまたがる場合、摩擦が生じる可能性が大いにあります。 しかし、私たちは皆とてもよく協力しています。 ASUでは、私たちの仕事は大学全体の質を高めることであり、必ずしも個々の研究プログラムの威信を問うものではないことを教員は理解しているようです。 ASU が興味深いことや挑戦的なことを行っていることを確認する必要があるという理解があります。そうすることで、私たちは引き続き優れた人材を引きつけ、より興味深くて挑戦的なことを行うことができます。

Q: 科学への情熱を発見した瞬間は何ですか?

答え:私がメリーランド大学に入学したとき、ビクター・ヤコヴェンコという電気と磁気の教授がいました。 彼は理論的な物性物理学者でした。 初日、彼は液体窒素の入った小さなボウル、イットリウム・バリウム・銅酸化物と呼ばれる高温超伝導体、そして磁石を持って授業に臨んだ。 彼は超伝導体を液体窒素の中に入れ、臨界温度以下に下げました。 次に彼は磁石を超伝導体の上に置き、そこで超伝導体を浮遊させた。 そして彼が言ったことは、「なぜこの材料がこの温度でこれを行うことができるのか誰も知りません。」というものでした。

物理学にそんな問題があるとは知りませんでした。 私は、これらの小さな石がそこら中にあるという考えが大好きでしたが、ほとんどの場合、それらがどのように機能するのかまったく分かりませんでした。 私はそれに夢中になりました。

さて、CXFEL の量子材料応用のために私たちが念頭に置いている重要な実験のいくつかは、まさにその材料であるイットリウム・バリウム・銅酸化物を調査することです。

Q: あなたのキャリアの中で、あなたを今日の地位に導いた他に重要な瞬間は何ですか?

答え:私は学部時代にレーザーに非常に興味を持ちましたが、学部時代に材料についてそれほど多くの研究を行う機会はありませんでした。 そして大学院では、ヤコヴェンコ教授のクラスで始まった複雑な材料に対するその情熱を応用することができました。 そして、私のポスドクの仕事は、基本的に私が取り組んでいた問題について疑問があったことから生まれました。 光学レーザーでは本当に見たい物質が見えないのではないかと感じました。 XFEL を使って人々が何をしているのかを知った後、私はそれらの質問に答えて、本当に X 線が必要なものを確認できるようになりたいと心から思いました。 結晶の動きの大部分は、光学レーザーでは簡単にアクセスできません。 光学レーザーが結晶の振動を観察するには、結晶内のすべての細胞が同時に同じことをしているところしか見ることができません。 起こり得るさまざまな振動の配置をすべて考えてみると、それはそのうちの非常に、非常に、非常に小さな部分に過ぎません。

Q: あなたは物理学を「どこにでも持ち運べるツール」と表現しました。 その考え方を自分の個人的な興味や趣味に適用しますか? それらの興味はあなたの仕事を補完するものですか?

答え:どこに行っても物理学を目にすることになります。 私はサイクリングが大好きです。サイクリングの楽しいところの 1 つは、自転車の修理をすべて自分で行うのがとても簡単なことです。 自転車は、すべての可動部品とそれらがどのように連携するかを簡単に確認できる機械です。 しかし、私はサイクリングもとても好きです。脳をオフにして、しばらく物理学のことを考えないようにすることができるからです。 私たちは皆、仕事から少し離れる時間が必要だと思います。 料理は私が大好きなもので、学部時代に勉強していた化学と長く関わりがあります。 化学を利用して料理に情報を与え、特定のレシピが機能し、他のレシピが機能しない理由を理解することができます。

その一方で、私のビジュアルアートと演劇の背景は、科学者としての私の仕事に非常に役立ちました。 どちらも私のコミュニケーションスキルを磨き、自分の作品をプレゼンテーションする楽しみを教えるのに本当に役立ちました。 科学者として自分が何をしているのかを明確かつ魅力的な方法で説明できなければ、誰とも協力することはできず、誰を訓練することもできません。助成金や賞を獲得することはさらに困難です。

Q: あなたの仕事において最もモチベーションと興奮を与えているものは何ですか?

答え:学生たちと協力する。 教員であることの良い点の 1 つは、このことを初めて学んだときのことを常に思い出させてもらえることです。そのおかげで、自分の仕事に対して冷笑的になるのを本当に防げると思います。

Q: CXFEL のどのような応用可能性や側面があなたにとって最も魅力的ですか?

答え:では、イットリウム・バリウム・銅酸化物、先ほど述べた高温超伝導体でしょうか？ 私たちが興味を持っている超伝導を引き起こす「作用」のほとんどは、結晶の銅と酸素原子にあります。 CXFEL は、酸素原子と銅原子の間の化学結合を行き来する電子をリアルタイムで観察できるようになります。 高温超伝導体に強力なレーザー場を印加すると何が起こるかを見ることができるでしょう。

これらの材料には、レーザーフィールドがオンになっているときにのみ存在する新しい物質の状態が存在すると予測されており、CXFELのような機械でのみそれを見ることができます。 私たちは新しいものを見ることになり、新しいものを見ることで世界についての考え方が変わるので、まったく新しい領域を切り開く可能性があると思います。

Q: あなたという人間に最も大きな影響を与えた人は誰ですか?

答え:私の両親。 私の父はEPAの生化学者で、現在は医師の助手であり、母は産業衛生の医師です。 両親は私に自然界への愛と好奇心を本当に植え付け、探検する自由を与えてくれました。 自分のペースでレゴを片づけさせてくれたこと、そして、その山積みになったレゴの計画を受け入れてくれたことに感謝したいと思います。 おそらく、今日の私の同僚にとっては、非常によく知られた話かもしれません。 「いやいや、片づけないでください。私にはそのセットアップの計画があります！」

Biodesign Institute とその CXFEL Labs は、アリゾナ州の Technology and Research Initiative Fund によって部分的に支援されています。 TRIF への投資により、アリゾナ州の大学の数万人の学生に対する実践的なトレーニング、数千の科学的発見と特許技術、そして数百の新興企業が可能になりました。 有権者の承認を通じて公的に支持されている TRIF は、アリゾナ州の経済を成長させ、アリゾナ州の住民が働き、学び、繁栄する機会を提供するために不可欠なリソースです。

Knowledge Enterprise コンテンツ戦略担当アシスタント ディレクター

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