ASU-Forscher nutzen Diamanten zur Stromerzeugung

Anmerkung der Redaktion: Dies ist der vierte Teil einer fünfteiligen Serie, in der die Forscher vorgestellt werden, die am kompakten Röntgen-Freie-Elektronen-Laser der ASU arbeiten. Lesen Sie die anderen Folgen: Fragen und Antworten mit Regents-Professorin Petra Fromme, CXFEL Labs-Chefwissenschaftler William Graves, CXFEL Labs-Direktor Robert Kaindl und CXFEL-Chefingenieur Mark Holl.

Als Student betrachtete Sam Teitelbaum die Physik sehr eng. Assistenzprofessor Sam Teitelbaum Vollständiges Bild herunterladen

„Jetzt wird mir klar, dass die Physik ein Werkzeug ist, das man überall hin mitnehmen kann, eine Denkweise, mit der man viele verschiedene Probleme angehen kann“, sagt er.

Teitelbaum bringt diesen Ansatz in seine Arbeit ein, bei der er am Biodesign Institute der Arizona State University kompakte Röntgengeräte baut. Als Assistenzprofessor am Fachbereich Physik und wichtiges Mitglied des Biodesign Center for Applied Structural Discovery hilft Teitelbaum bei der Gestaltung des kompakten Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers (CXFEL).

In dieser Frage-und-Antwort-Runde erzählt Teitelbaum von seinen Einflüssen und Leidenschaften, von seinem Weg zur ASU und davon, wie sich mit dem CXFEL einige seiner großen Fragen zur Physik als Student schließen.

Frage: Welche Rolle spielen Sie bei CXFEL Labs?

Antwort: Formal bin ich für das Design der Quantenmaterialanwendungen im CXFEL-Vorschlag verantwortlich. Ich bin auch für einen Teilbereich der CXFEL-Lasersysteme verantwortlich, insbesondere für die Überholgeometrie.

Inoffiziell stehe ich als Experimentator zur Verfügung, der gerne Fehler behebt. Das bedeutet, dass ich täglich in den CXFEL-Laboren bin und den Studenten bei der Arbeit an den Lasern oder beim Aufbau der Instrumente helfe und einfach da bin, um zu helfen. Der Aufenthalt in den Laboren hat eine Anziehungskraft. Es gibt so viele Instrumente, und anders als in einem großen nationalen Labor kann man mit allen arbeiten und den Schülern beibringen, wie man sie benutzt. Es ist ein wirklich lustiger Ort.

F: Welche Expertise bringen Sie in das Team ein?

A: Meine Forschung nutzt Dinge wie Freie-Elektronen-Laser, Tischlaser und Synchrotrons, um zu verstehen, wie sich Materialien verändern. Nehmen wir zum Beispiel Wasser: Eis schmilzt, wenn es erhitzt wird. Aber Temperatur ist nur eine zufällige Bewegung von Atomen, Energie, die als Rauschen in ein Material eingelagert wird. Und es braucht Zeit, bis sich dieser Lärm aufbaut. Mit unseren Instrumenten könnten wir viel über die Eigenschaften der Materie lernen, indem wir sie auf den sehr schnellen Zeitskalen beobachten, auf denen ihre einzelnen Moleküle wirken. Wir könnten möglicherweise dafür sorgen, dass Materialien Transformationen, sogenannte Phasenübergänge, durchlaufen, die so schnell sind, dass man nicht einmal sagen kann, dass es eine Temperatur gibt, weil nicht genug Zeit für den Aufbau dieses Rauschens vorhanden war. Können wir neue Materiephasen erzeugen, indem wir uns die Idee zunutze machen, dass Materialien keine Temperatur benötigen?

Was ich also zum CXFEL einbringe, ist meine Erfahrung als Experimentator, um unseren Entwurf der kompakten Röntgenlichtquelle zu leiten und die Experimente, die ich mit Tischlasern und Synchrotrons durchgeführt habe, an unsere Arbeit hier anzupassen.

F: Wie hat Sie Ihre akademische Laufbahn auf Ihre Arbeit in den CXFEL Labs vorbereitet?

A: Ich habe am MIT promoviert, wo ich daran gearbeitet habe, Laserimpulse so zu formen, dass sie grundsätzlich zur richtigen Zeit am richtigen Ort ankommen, um Materialien besser untersuchen zu können. Wenn wir diese Experimente durchführen, möchten wir normalerweise, dass das Material wieder so aussieht, wie es war, bevor der Laserpuls es traf, weil wir das Experiment millionenfach wiederholen möchten. Wenn es nicht in seinen vorherigen Zustand zurückkehrt, müssen Sie einen Weg finden, alle erforderlichen Informationen aus einem Laserimpuls zu gewinnen.

Es stellt sich heraus, dass wir dieselben Techniken, die ich verwendet habe, um alle Informationen über Materialien in einem Laserpuls zu erhalten, auch beim Bau des Laser-Undulators am CXFEL verwenden. Laserimpulse zum Turnen zu bringen, ist ein außerordentlich nützliches Konzept, das es uns ermöglicht, alles zu tun, von der Manipulation von Materialien bis hin zur Gewinnung nützlicher Informationen aus ihnen.

F: Was war eine Herausforderung im CXFEL-Projekt und wie meistern Sie und das Team diese?

A: CXFEL ist ein Werkzeug, das zwei Konzepte auf neuartige Weise kombiniert: inverse Compton-Streuung und Emissionsaustausch. Der Emissionsaustausch ermöglicht es uns, ein Elektronenbündel präzise so zu formen, dass es seine Röntgenstrahlen auf einmal emittiert. Bei der inversen Compton-Streuung wird ein Hochleistungslaser verwendet, um aus unserem Elektronenstrahl Röntgenstrahlen zu erzeugen.

Der Emissionsaustauschanteil stellt ziemlich strenge Anforderungen an den Elektronenstrahl. Damit das alles funktioniert, muss der Laser neue und einzigartige Dinge leisten, was spannende Designherausforderungen mit sich bringt, die unser gesamtes Team zusammenbringen. Dies ist ein Bereich, in dem der Ansatz von ASU wirklich entscheidend war. CXFEL hat ein kleineres Team als andere XFELs. Damit es funktioniert, ist eine wirklich enge Zusammenarbeit zwischen den Laserwissenschaftlern, Beschleunigerphysikern, Ingenieuren und sogar den Benutzern erforderlich, um das Beste aus unserer Quelle herauszuholen. Bei uns laufen viele Entwicklungen parallel ab, was eine Herausforderung darstellt, aber auch eine Chance für uns, innovative Wege zur Lösung von Problemen zu finden.

F: Warum ist ASU der richtige Ort, um diese Instrumente zu bauen?

A: Wenn man ein Projekt wie dieses hat, das verschiedene Disziplinen und Abteilungen umfasst, gibt es viel Reibungspotenzial. Aber wir arbeiten alle sehr gut zusammen. An der ASU scheinen die Lehrkräfte zu verstehen, dass es bei unserer Arbeit um die Verbesserung der Qualität der Institution als Ganzes geht und nicht unbedingt um das Prestige ihrer einzelnen Forschungsprogramme. Wir sind uns darüber im Klaren, dass wir sicherstellen müssen, dass die ASU etwas Interessantes und Herausforderndes tut, damit wir weiterhin großartige Leute anziehen und noch mehr interessante und herausfordernde Dinge tun können.

F: Wann haben Sie Ihre Leidenschaft für die Wissenschaft entdeckt?

A: Als ich mit dem Studium an der University of Maryland begann, hatte ich einen Professor für Elektrizität und Magnetismus namens Victor Yakovenko. Er war ein theoretischer Physiker der kondensierten Materie. Am ersten Tag kam er mit einer kleinen Schüssel mit flüssigem Stickstoff, einem Hochtemperatur-Supraleiter namens Yttrium-Barium-Kupferoxid und einem Magneten in den Unterricht. Er legte den Supraleiter in flüssigen Stickstoff, wodurch er unter seine kritische Temperatur gebracht wurde. Dann platzierte er den Magneten über dem Supraleiter, wo er schwebte. Und er sagte: „Niemand weiß, warum dieses Material das bei dieser Temperatur kann.“

Ich wusste nicht, dass die Physik solche Probleme hat. Mir gefiel die Idee, dass es überall diese kleinen Steine ​​gab, und größtenteils hatten wir keine Ahnung, wie sie funktionierten. Ich war davon begeistert.

Nun sind einige der Schlüsselexperimente, die wir für die Quantenmaterialanwendungen des CXFEL im Sinn haben, genau dieses Material zu untersuchen – Yttrium-Barium-Kupferoxid.

F: Welche weiteren entscheidenden Momente in Ihrer Karriere haben Sie dorthin geführt, wo Sie heute sind?

A: Während meines Studiums begann ich mich wirklich für Laser zu interessieren, aber ich hatte nie die Gelegenheit, so viel Materialforschung im Grundstudium zu betreiben. Im Graduiertenstudium konnte ich dann meine Leidenschaft für komplexe Materialien anwenden, die in der Klasse von Professor Yakovenko begann. Dann kam meine Postdoktorandenarbeit im Wesentlichen dadurch zustande, dass ich Fragen zu Problemen hatte, an denen ich arbeitete. Ich hatte das Gefühl, dass optische Laser nicht die Dinge an Materialien sehen konnten, die ich wirklich sehen wollte. Nachdem ich erfahren hatte, was die Leute mit XFELs machen, wollte ich unbedingt in der Lage sein, diese Fragen zu beantworten und die Dinge zu sehen, für die man Röntgenstrahlen wirklich braucht. Der Großteil der Kristallbewegung ist mit optischen Lasern nicht leicht zugänglich. Damit ein optischer Laser Kristallvibrationen beobachten kann, kann er nur Dinge sehen, bei denen jede Zelle im Kristall gleichzeitig dasselbe tut. Wenn man an all die verschiedenen Anordnungen von Schwingungen denkt, die auftreten können, ist das nur ein sehr, sehr, sehr kleiner Bruchteil davon.

F: Sie haben die Physik als ein „Werkzeug beschrieben, das Sie überall hin mitnehmen können“. Wenden Sie diese Einstellung auf Ihre persönlichen Interessen oder Hobbys an? Ergänzen diese Interessen Ihre Arbeit?

A: Überall, wo man hingeht, begegnet man der Physik. Ich liebe Radfahren und das Schöne am Radfahren ist, dass man ganz einfach alle Reparaturen am Fahrrad selbst durchführen kann. Ein Fahrrad ist eine Maschine, bei der man alle beweglichen Teile und deren Zusammenspiel gut erkennen kann. Ich fahre aber auch sehr gerne Fahrrad, weil ich mein Gehirn abschalten und eine Weile nicht an Physik denken kann. Ich denke, wir alle brauchen eine kleine Auszeit von der Arbeit. Kochen ist etwas, das ich liebe, und es hat eine lange Schnittstelle zur Chemie, die ich als Student studiert habe. Mithilfe der Chemie können Sie Ihre Kochkünste beeinflussen und verstehen, warum bestimmte Rezepte funktionieren und andere nicht.

Andererseits hat mein Hintergrund in bildender Kunst und Theater meiner Arbeit als Wissenschaftler sehr geholfen. Beides war wirklich hilfreich, um meine Kommunikationsfähigkeiten zu verbessern und mir beizubringen, Spaß daran zu haben, meine Arbeit zu präsentieren. Wenn Sie nicht klar und ansprechend erklären können, was Sie als Wissenschaftler tun, werden Sie mit niemandem zusammenarbeiten können, Sie werden niemanden ausbilden können, und das wird Ihnen gelingen Es ist umso schwieriger, Zuschüsse und Auszeichnungen zu erhalten.

F: Was motiviert und begeistert Sie an Ihrer Arbeit am meisten?

A: Arbeiten mit Studierenden. Das Schöne daran, Fakultätsmitglied zu sein, ist, dass man ständig daran erinnert wird, wie es war, dieses Zeug beim ersten Mal zu lernen, und ich denke, das verhindert wirklich, dass ich in Bezug auf meine Arbeit zynisch werde.

F: Welche potenzielle Anwendung oder welcher Aspekt des CXFEL ist für Sie am spannendsten?

A: Also Yttrium-Barium-Kupferoxid, der Hochtemperatur-Supraleiter, den ich zuvor erwähnt habe? Der größte Teil der „Wirkung“, die die Supraleitung erzeugt, an der wir interessiert sind, findet in den Kupfer- und Sauerstoffatomen des Kristalls statt. CXFEL wird in Echtzeit beobachten können, wie sich Elektronen über diese chemischen Bindungen zwischen den Sauerstoff- und Kupferatomen bewegen. Wir werden sehen können, was passiert, wenn man ein starkes Laserfeld auf einen Hochtemperatur-Supraleiter anwendet.

Es wird vorhergesagt, dass es in diesen Materialien neue Materiezustände gibt, die nur existieren, wenn die Laserfelder eingeschaltet sind, und die wir nur mit einer Maschine wie CXFEL sehen können. Ich denke, es könnte möglicherweise einen ganz neuen Bereich eröffnen, weil wir neue Dinge sehen werden, und das Sehen neuer Dinge verändert die Art und Weise, wie wir über die Welt denken.

F: Wer hatte den größten Einfluss/Einfluss auf Sie als Person?

A: Meine Eltern. Mein Vater war Biochemiker bei der EPA und jetzt ist er Arzthelfer, und meine Mutter ist Ärztin für Arbeitsmedizin. Meine beiden Eltern haben mir die Liebe zur Natur und die Neugier vermittelt und mir die Freiheit gegeben, Neues zu entdecken. Ich möchte ihnen dafür danken, dass sie mir erlaubt haben, meine Legos in meinem eigenen Tempo aufzuräumen, und dass sie akzeptiert haben, dass ich einen Plan für diesen Stapel Legos hatte. Das kommt meinen Kollegen heutzutage wahrscheinlich furchtbar bekannt vor. „Nein, nein, räumen Sie nicht auf. Ich habe einen Plan für dieses Setup!“

Das Biodesign Institute und seine CXFEL Labs werden teilweise vom Technology and Research Initiative Fund von Arizona unterstützt. Die TRIF-Investitionen haben eine praktische Ausbildung für Zehntausende Studenten an den Universitäten Arizonas, Tausende wissenschaftliche Entdeckungen und patentierte Technologien sowie Hunderte neue Start-up-Unternehmen ermöglicht. TRIF wird durch die Zustimmung der Wähler öffentlich unterstützt und ist eine wesentliche Ressource für das Wachstum der Wirtschaft Arizonas und bietet den Bewohnern Arizonas Möglichkeiten zum Arbeiten, Lernen und Gedeihen.

Stellvertretender Direktor für Content-Strategie, Knowledge Enterprise

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