Tenio Popmintchev pune laserul cu raze X pe o masă

Tenio Popmintchev, 39 de ani
Fizicianul laserului
Universitatea din Colorado Boulder

Fizica experimentală nu este pentru cei slabi de inimă. O mică eroare – sau o concatenare a mai multor – poate împiedica un experiment complicat să funcționeze fără probleme. Din fericire, Tenio Popmintchev are tenacitatea pentru asta.

Popmintchev, un fizician laser la institutul JILA de la Universitatea din Colorado Boulder, nu se gândește la desfășurarea unui experiment timp de 72 de ore consecutiv, sau la petrecerea ani de zile lucrând cu un set chic de lasere de mare putere sau la expedierea întregului set la Viena pentru a re -creeaza experimentele cu colaboratorii acolo. Angajamentul pentru detalii conduce cariera în ascensiune a lui Popmintchev, spune consilierul și mentorul său Henry Kapteyn. „Tenio nu este intimidat de ceea ce ar putea merge prost într-un experiment și este foarte bun la identificarea și investigarea necunoscutelor care ar putea împiedica un experiment”, spune Kapteyn.

La vârsta de 39 de ani, Popmintchev a jucat deja un rol cheie în inventarea primului laser cu raze X de masă, care utilizează impulsuri scurte de lumină pentru a ilumina natura materiei. Fasciculele sale strălucitoare promit să cerceteze totul, de la mișcările electronilor și atomilor din ADN până la plierea proteinelor în detaliu extraordinar. Ar fi relativ ieftin și polivalent, un cuțit elvețian din lumină pe care mulți cercetători l-ar putea folosi. „Același tip de revoluție care a avut loc cu laserele în anii 1960 se întâmplă acum în știința cu raze X”, spune Popmintchev.

Și-a început drumul către fizică devreme, în timp ce creștea în orașul Kazanlak din centrul Bulgariei. Plănuia să studieze matematica până când un profesor de liceu i-a spus cu înțelepciune că fizicienii sunt cei mai buni matematicieni dintre toți. Și odată cu asta, profesorul a avut un nou recrut pentru echipa națională de olimpiade de fizică.

Popmintchev a primit mențiune de onoare la o Olimpiada Internațională de Fizică în clasa a IX-a și o medalie de bronz în clasa a XI-a. El încă vorbește despre acel profesor cu drag. „Obișnuiam să rezolvăm probleme toată ziua”, spune el. „A fost foarte distractiv.”

La facultate, a început să exploreze lumea laserelor cu un fizician care se instruise sub același profesor. Au lucrat la lasere cu infraroșu pentru operații estetice, iar Popmintchev și-a găsit nișa în a obține cele mai bune rezultate din echipamentele experimentale. Pentru doctoratul său. de lucru, Popmintchev s-a mutat la unul dintre laboratoarele de top din lume pentru studierea laserelor ultrarapide, stabilit în Boulder de Kapteyn și colaboratorul și soția sa, Margaret Murnane.

Ca o lumină stroboscopică care dezvăluie mișcarea dansatorilor sub o minge disco, laserele ultrarapide pot „îngheța” atomii și moleculele luminându-le cu fiecare fulger. Grupul lui Kapteyn și Murnane folosește lasere care pulsează de ordinul attosecundelor, sau miliardemii dintr-o miliardime de secundă. „O attosecundă este pentru o secundă, așa cum o secundă este pentru vârsta universului”, spune Popmintchev. Acel stop-motion superrapid înseamnă că oamenii de știință pot vedea atomii și moleculele care interacționează între ele.

Cercetarea lui Popmintchev a urmărit să împingă aceste frontiere dincolo de lungimile de undă obișnuite și în energiile superioare ale razelor X. Spre deosebire de lumina infraroșie sau ultravioletă, razele X pot pătrunde în obiecte pentru a dezvălui structura internă, cum ar fi razele X dentare care evidențiază cavitățile. Dar realizarea de suficiente raze X, cu suficientă putere, poate necesita mașini enorme, de miliarde de dolari, care accelerează electronii la viteze mari.

Popmintchev a vrut să găsească o modalitate de a face laserele cu raze X accesibile pentru mai mulți oameni de știință. El a apelat la o metodă numită generare de armonici înalte, care a fost descoperită în 1987, când cercetătorii au observat că, în anumite condiții, laserele lor generau în mod eficient lungimi de undă mai scurte de lumină. Tehnica fusese folosită în principal cu lasere ultraviolete, dar Popmintchev și colegii săi și-au dat seama că laserele cu infraroșu ar putea fi coaxiate să producă impulsuri de raze X dacă erau trimise prin gaz sub presiune.

Așa că a construit un cilindru care ar putea încăpea în palma unei mâini și care conține heliu gazos la presiunea atmosferică de 50 de ori mai mare. Când lumina laser lovește gazul de înaltă presiune, ea elimină electronii de pe heliu. Fiecare electron se îndepărtează și apoi înapoi spre atomul său de heliu încărcat. Când electronul se prăbușește înapoi în heliu, eliberează energie suplimentară obținută din această accelerație ca raze X cu energie mai mare. Prin reglarea presiunii gazului și a intensității laserului, Popmintchev a putut face ca emisiile de raze X să se miște în fază unele cu altele, producând un fascicul coerent pe care echipa sa l-ar putea controla cu o precizie extraordinară.

Munci de laborator

În această configurație, un laser cu lungime de undă lungă este trimis printr-un ghid de undă de heliu gaz comprimat pentru a produce un fascicul de raze X coerent și strălucitor. Rețeaua demonstrează că fasciculul include energii de-a lungul spectrului de raze X (extrema dreapta) și, prin urmare, are multe aplicații.

Cercetătorii nu crezuseră că ar putea face așa ceva cu generarea de armonici înalte. Dar Popmintchev a insistat, mângâind cu laserele până când au făcut ce voia el. Trilioane de atomi au strălucit împreună în armonie cu raze X. Nu și-a luat doar doctoratul. dar şi o hârtie în Ştiinţă în 2012.

Astăzi, echipa sa include un alt Popmintchev – fratele său mai mic, Dimitar. Amândoi au urmat aceeași școală de fizică la Kazanlak, apoi la universitate din Sofia. Tenio este fratele mai mare care și-a pus amprenta primul, cunoscut pentru colaborările frecvente cu ceilalți. Dimitar este mai tăcut și preferă să lucreze singur. Dimitar și Tenio lucrează și trăiesc împreună, non-stop. „Este un mare om de știință și un mare frate”, spune Dimitar.

Deocamdată, frații Popmintchev lucrează la modalități de a spori performanța și puterea laserelor lor. În Ştiinţă în decembrie, au descris o modalitate de a modifica generația de armonici înalte pentru a produce raze X și mai eficient. Perfecționiștii nu se odihnesc pe lauri.

Popmintchev pleacă acum din Boulder pentru a înființa laboratoare la Universitatea din California, San Diego și la Viena. În cele din urmă, el speră să facă din laserul cu raze X de pe masă o posibilitate pentru orice laborator – un microscop cu raze X accesibil și accesibil pentru nanotehnologie, biologie și alte aplicații. „Acesta va fi unul dintre instrumentele ușoare supreme”, spune el. „Acesta este ca laserul cu raze X personal pe care îl puteți modifica așa cum doriți.”