Menembus Batasan Waktu dengan Kamera Elektron Ultracepat SLAC

Para peneliti di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC telah meningkatkan kemampuan instrumen Difraksi Elektron Ultracepat Megaelectronvolt mereka melalui dua penelitian.

Satu studi mengembangkan teknik untuk meningkatkan resolusi waktu kamera elektron, sementara studi lainnya memanfaatkan kecerdasan buatan untuk menyetel berkas elektron untuk berbagai kebutuhan eksperimen. Kemajuan dalam teknologi berkas elektron ini memungkinkan pengamatan yang lebih tepat terhadap reaksi kimia dan perilaku materials yang sangat cepat, yang secara signifikan berkontribusi pada bidang-bidang seperti ilmu materials, kimia, dan informasi kuantum.

Kamera Elektron Berkecepatan Tinggi

Bayangkan bisa menyaksikan kerja inner reaksi kimia atau materials saat ia berubah dan bereaksi terhadap lingkungannya – itulah hal yang dapat dilakukan para peneliti dengan “kamera elektron” berkecepatan tinggi yang disebut instrumen Megaelectronvolt Ultrafast Electron Diffraction (MeV-UED) di Linac Coherent Mild Supply (LCLS) di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC milik Departemen Energi AS.

Kini, dalam dua studi baru, para peneliti dari SLAC, Stanford dan lembaga-lembaga lain telah menemukan cara untuk menangkap detail-detail kecil dan sangat cepat tersebut dengan lebih banyak ketepatan dan efisiensi. Pada awalnya belajarbaru-baru ini diterbitkan di Dinamika Strukturalsatu tim menemukan teknik untuk meningkatkan resolusi waktu untuk kamera elektron. Dalam sedetik, diterbitkan di dalam Komunikasi Alampara peneliti melatih dan menggunakan kecerdasan buatan (AI) untuk menyetel berkas elektron MeV-UED dan menyesuaikannya dengan berbagai kebutuhan eksperimen.

“Dampak ini sangat penting untuk memajukan instrumentasi sinar dan diagnostik untuk akselerator elektron SLAC dan akan memungkinkan babak baru dalam mengeksplorasi dampak baru dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya,” kata Mohamed Othman, seorang ilmuwan asosiasi di SLAC dan rekan penulis kedua makalah tersebut.

Pentingnya Waktu yang Tepat dalam Sains Ultracepat

Reaksi kimia berlangsung cepat – terkadang peristiwa penting berlangsung dalam sepersejuta miliar detik, atau femtodetik. Menangkap peristiwa femtodetik ini adalah medan yang dikenal sebagai ultracepat sains yang memerlukan beberapa instrumen ilmiah paling canggih di dunia – instrumen seperti MeV-UED.

MeV-UED mengambil snapshot dengan cara menghantam sampel dengan seberkas sinar elektron dan merekam apa yang terjadi dalam materials saat elektron melewatinya. Hasilnya adalah movie molekuler yang memungkinkan para ilmuwan untuk mengintip perilaku molekul dan atom pada kecepatan sangat cepat dan memperoleh wawasan tentang proses yang menjadi kunci solusi energi dan bahan serta obat baru yang inovatif, di antara hal-hal lainnya.

Presisi yang Ditingkatkan dengan Kompresi Bunch dan Cap Waktu

Hal yang sulit adalah, berkas MeV-UED terdiri dari kumpulan elektron, atau pulsa elektron – dan kumpulan tersebut bisa jadi tidak teratur. Ketika pulsa elektron tiba di sampel materials, terdapat sedikit perbedaan waktu kedatangan antara elektron pertama dan elektron terakhir dari pulsa tersebut. Perbedaan waktu ini, bersama dengan variasi waktu antara pulsa, yang disebut jitter, membuat sulit untuk menentukan dengan tepat kapan sesuatu terjadi di setiap gambar kamera elektron.

Tim SLAC sebelumnya melaporkan bahwa penggunaan Terahertz radiasi, yang terletak di antara gelombang mikro dan cahaya inframerah pada spektrum elektromagnetik, dan penambahan kompresor ke dalam MeV-UED meningkatkan resolusi waktu instrumen tersebut. Kompresor menggunakan radiasi terahertz untuk memperpendek rentang waktu untuk pulsa elektron melalui metode yang disebut – tepatnya – kompresi tandan.

Dalam upaya mereka untuk lebih menjinakkan berkas elektron, tim tersebut menggabungkan kompresi berkas dengan metode lain yang disebut penandaan waktu: Setelah pulsa berinteraksi dengan sampel dan mengenai detektor, informasi waktu dikodekan dalam gambar kamera elektron. Melalui penyortiran waktu yang sederhana, pengguna dapat lebih tepat menentukan waktu setiap gambar atau dalam movie.

Menggabungkan kompresi tandan dan penandaan waktu meningkatkan ketepatan waktu dan mengurangi getaran. “Para peneliti dapat menggunakan teknik ini untuk mengamati skala waktu yang sangat cepat, khususnya untuk gerakan atom dalam materials,” kata Othman. “Mikroskop atom ini dapat digunakan dalam sains elementary: sains materials, kimia, energi hijau, informasi kuantum, dan banyak lagi. Sangat penting untuk mencapai skala femtodetik guna menyelidiki bidang sains ini.”

Dengan keberhasilan prototipe ini, langkah selanjutnya adalah membangun instrumen dengan kemampuan gabungan. “Kami mencoba untuk mendorong batas kemampuan MeV-UED dalam hal, misalnya, pengaturan waktu. Karena MeV-UED merupakan bagian dari fasilitas pengguna DOE, kami ingin membangun instrumen ini yang dapat menjadi pilihan bagi pengguna,” kata Othman.

Memanfaatkan AI untuk Optimasi Sinar

Para peneliti dari seluruh dunia datang ke MeV-UED SLAC untuk menjalankan eksperimen mereka, dan kebutuhan mereka sangat beragam. Untuk setiap eksperimen, operator sinar harus mengoptimalkan 20-30 parameter, seperti ukuran titik sinar, dan mempertimbangkan trade-off di antara semua parameter. Ilmuwan staf SLAC dan penulis utama makalah Fuhao Ji menyamakan proses penyetelan dengan mengubah bahan resep saat memanggang roti agar sesuai dengan selera pelanggan – ada banyak faktor yang perlu dipertimbangkan, dan selera setiap orang sedikit berbeda.

Saat ini, operator berpengalaman membuat sendiri semua pilihan tersebut dengan bantuan dari proses otomatis, tetapi proses ini tidak seefisien yang seharusnya. Agar berjalan lebih lancar, para peneliti SLAC di sisi akselerator dan instrumentasi lab bekerja sama dengan para ahli AI lab untuk menerapkan mannequin AI khusus, yang disebut multi-objective Bayesian optimization (MOBO), untuk langsung menyetel berkas elektron di MeV-UED secara daring. Pendekatan itu dapat menyetel dengan baik seperti halnya operator berpengalaman dan setidaknya sepuluh kali lebih cepat daripada proses otomatis. Karena pengguna memiliki jumlah waktu berkas yang tetap, itu berarti lebih sedikit waktu untuk mengutak-atik dan lebih banyak waktu untuk menjalankan eksperimen dan mengumpulkan knowledge.

Prospek Masa Depan dan Dampak Integrasi AI

Sebelum meluncurkan mannequin AI, tim SLAC harus melatihnya sehingga tidak hanya mengetahui apa yang harus dicari, tetapi juga cara mengevaluasi trade-off di antara parameter berkas. Mannequin belajar dengan melakukan: Peneliti menjalankan eksperimen dan mengumpulkan knowledge seperti biasa, lalu memasukkan knowledge tersebut ke dalam mannequin, yang mempelajari bagaimana berbagai parameter berinteraksi untuk membentuk berkas.

Seperti mannequin AI lainnya, MOBO dapat memprediksi hasil baru dari pengaturan parameter baru, sesuatu yang sangat berguna ketika seorang peneliti membutuhkan pengaturan berkas yang belum pernah digunakan sebelumnya. Mannequin ini juga memberikan gambaran yang lebih komprehensif tentang sistem eksperimen.

“Ini adalah hasil kerja sama erat antara MeV-UED dan kelompok Accelerator Directorate Machine Studying serta membuka jalan menuju tujuan akhir untuk membangun fasilitas pengguna ilmiah cerdas otomatis menyeluruh di MeV-UED,” kata Ji, di mana algoritme AI akan mengoptimalkan bersama semua komponen di seluruh sistem, dari sumber elektron hingga akselerator, sumber cahaya, pengaturan sampel, dan detektor.

Ji dan rekan-rekannya berupaya memperluas kemampuan alat MOBO. Langkah selanjutnya adalah mengadopsi alat AI lain, eksekusi algoritma Bayesian, untuk mempercepat proses pengoptimalan lebih jauh dan mencapai kinerja yang lebih baik.

“Kami berharap ini akan berdampak luas pada penelitian di berbagai disiplin ilmu, seperti fisika, kimia, biologi, dan materials kuantum, di fasilitas pengguna ilmiah berskala besar dan kompleks,” kata Ji.

Referensi:

“Peningkatan resolusi temporal dalam pengukuran difraksi elektron ultracepat melalui kompresi THz dan penandaan waktu” oleh Mohamed AK Othman, Annika E. Gabriel, Emma C. Snively, Michael E. Kozina, Xiaozhe Shen, Fuhao Ji, Samantha Lewis; Stephen Weathersby, Praful Vasireddy, Duan Luo, Xijie Wang, Matthias C. Hoffmann dan Emilio A. Nanni, 22 April 2024, Dinamika Struktural.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1063/4.0000230

“Pembelajaran aktif Bayesian multi-objektif untuk difraksi elektron MeV-ultrafast” oleh Fuhao Ji, Auralee Edelen, Ryan Roussel, Xiaozhe Shen, Sara Miskovich, Stephen Weathersby, Duan Luo, Mianzhen Mo, Patrick Kramer, Christopher Mayes, Mohamed AK Othman, Emilio Nanni, Xijie Wang, Alexander Reid, Michael Minitti dan Robert Joel England, 3 Juni 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-48923-9

Penelitian ini didukung oleh Kantor Sains DOE dan Program Penelitian dan Pengembangan Terarah Laboratorium SLAC. LCLS adalah fasilitas pengguna Kantor Sains DOE.