Des chercheurs de l'ASU utilisent des diamants pour l'énergie électrique

Note de l'éditeur: Il s'agit du quatrième volet d'une série en cinq parties décrivant les chercheurs qui travaillent sur le laser à électrons libres compact à rayons X d'ASU. Lisez les autres épisodes : Questions-réponses avec le professeur Regents Petra Fromme, le scientifique en chef du CXFEL Labs William Graves, le directeur du CXFEL Labs ; Robert Kaindl et l'ingénieur en chef du CXFEL Mark Holl.

En tant qu'étudiant de premier cycle, Sam Teitelbaum considérait la physique de manière très étroite. Professeur adjoint Sam Teitelbaum Télécharger l'image complète

"Maintenant, je réalise que la physique est un outil que vous pouvez emporter partout avec vous, un état d'esprit que vous pouvez utiliser pour aborder de nombreux problèmes différents", dit-il.

Teitelbaum apporte cette approche à son travail de construction d'équipements à rayons X compacts au Biodesign Institute de l'Arizona State University. Professeur adjoint au Département de physique et membre clé du Biodesign Center for Applied Structural Discovery, Teitelbaum aide à guider la conception du laser à électrons libres à rayons X compact, ou CXFEL.

Dans ce Q&A, Teitelbaum raconte ses influences et ses passions, son parcours vers l'ASU et comment certaines de ses grandes questions sur la physique en tant qu'étudiant de premier cycle bouclent la boucle avec le CXFEL.

Question : Quel est votre rôle avec CXFEL Labs ?

Répondre: Officiellement, je suis responsable de la conception des applications des matériaux quantiques dans la proposition CXFEL. Je suis également responsable d'un sous-ensemble des systèmes laser CXFEL, en particulier la géométrie de dépassement.

De manière informelle, je suis disponible en tant qu'expérimentateur qui aime résoudre les problèmes. Cela signifie qu'au jour le jour, je suis généralement dans les laboratoires CXFEL pour aider les étudiants à travailler sur les lasers ou à construire les instruments, et je suis juste là pour aider. Il y a une attraction gravitationnelle à être dans les labos. Il y a tellement d'instruments, et contrairement à un grand laboratoire national, vous pouvez travailler avec chacun d'eux et apprendre aux étudiants à les utiliser. C'est un endroit vraiment amusant.

Q : Quelle expertise apportez-vous à l'équipe ?

UN: Ma recherche utilise des choses comme les lasers à électrons libres, les lasers de table et les synchrotrons pour comprendre comment les matériaux se transforment. Prenons l'eau par exemple : la glace fond lorsqu'elle se réchauffe. Mais la température n'est qu'un mouvement aléatoire d'atomes, de l'énergie déposée dans un matériau sous forme de bruit. Et il faut du temps pour que ce bruit s'accumule. En utilisant nos instruments, nous pourrions en apprendre beaucoup sur les propriétés de la matière en l'observant sur les échelles de temps très rapides sur lesquelles opèrent leurs molécules individuelles. Nous pourrions potentiellement faire passer les matériaux par des transformations appelées transitions de phase qui sont si rapides que vous ne pouvez même pas dire qu'une température existe, car il n'y avait pas assez de temps pour que ce bruit s'accumule. Pouvons-nous créer de nouvelles phases de la matière en profitant de l'idée que les matériaux n'ont pas besoin de température ?

Donc, ce que j'apporte au CXFEL, c'est mon expérience d'expérimentateur pour guider notre conception de la source lumineuse à rayons X compacte et adapter les expériences que j'ai menées avec des lasers de table et des synchrotrons à notre travail ici.

Q : Comment votre carrière universitaire vous a-t-elle préparé pour votre travail au CXFEL Labs ?

UN: J'ai fait mon doctorat au MIT, où j'ai travaillé sur la mise en forme d'impulsions laser pour arriver au bon endroit au bon moment pour mieux étudier les matériaux. En règle générale, lorsque nous faisons ces expériences, nous voulons que le matériau revienne à ce qu'il était avant que l'impulsion laser ne le frappe, car nous voulons répéter l'expérience des millions de fois. S'il ne revient pas à son état précédent, vous devez trouver un moyen d'obtenir toutes les informations requises à partir d'une impulsion laser.

Il s'avère que le même type de techniques que j'utilisais pour obtenir toutes les informations sur les matériaux dans une impulsion laser sont également celles que nous utilisons pour construire l'onduleur laser au CXFEL. Faire de la gymnastique des impulsions laser est un concept extraordinairement utile, qui nous permet de tout faire, de la manipulation de matériaux à l'extraction d'informations utiles.

Q : Quel a été l'un des défis du projet CXFEL et comment vous et l'équipe le surmontez-vous ?

UN: CXFEL est un outil qui combine deux concepts d'une manière originale : la diffusion Compton inverse et l'échange d'émittance. L'échange d'émissivité nous permet de façonner avec précision un groupe d'électrons de manière à ce qu'il émette ses rayons X en une seule fois. La diffusion Compton inverse utilise un laser de haute puissance pour produire des rayons X à partir de notre faisceau d'électrons.

La partie d'échange d'émittance de cela impose des exigences assez strictes au faisceau d'électrons. Pour que tout cela fonctionne, le laser doit faire des choses nouvelles et uniques, ce qui signifie des défis de conception passionnants qui rassemblent toute notre équipe. C'est un domaine où l'approche d'ASU a vraiment été essentielle. CXFEL a une équipe plus petite que les autres XFEL. Le faire fonctionner nécessite une collaboration très étroite entre les scientifiques du laser, les physiciens des accélérateurs, les ingénieurs et même les utilisateurs pour tirer le meilleur parti de notre source. De nombreux développements se déroulent en parallèle, ce qui est un défi, mais aussi une opportunité pour nous de trouver des façons innovantes d'aborder les problèmes.

Q : Pourquoi ASU est-il le bon endroit pour construire ces instruments ?

UN: Lorsque vous avez un projet comme celui-ci qui couvre différentes disciplines et départements, il y a beaucoup de potentiel de friction. Mais nous travaillons tous très bien ensemble. À l'ASU, les professeurs semblent comprendre que notre travail consiste à améliorer la qualité de l'établissement dans son ensemble et pas nécessairement le prestige de leurs programmes de recherche individuels. Il est entendu que nous devons nous assurer que l'ASU fait quelque chose d'intéressant et de stimulant, afin que nous puissions continuer à attirer des gens formidables et faire des choses plus intéressantes et stimulantes.

Q : À quel moment avez-vous découvert votre passion pour la science ?

UN: Quand j'ai commencé l'université à l'Université du Maryland, j'avais un professeur d'électricité et de magnétisme nommé Victor Yakovenko. Il était un physicien théoricien de la matière condensée. Le premier jour, il est arrivé en classe avec un petit bol d'azote liquide, un supraconducteur à haute température appelé oxyde de cuivre et de baryum d'yttrium et un aimant. Il a mis le supraconducteur dans l'azote liquide, ce qui l'amène en dessous de sa température critique. Il a ensuite placé l'aimant sur le supraconducteur, où il a lévité. Et ce qu'il a dit, c'est : "Personne ne sait pourquoi ce matériau peut faire ça à cette température."

Je ne savais pas que la physique avait des problèmes comme ça. J'ai adoré l'idée qu'il y avait ces petits rochers partout, et pour la plupart, nous n'avions aucune idée de leur fonctionnement. J'étais accro à ça.

Maintenant, certaines des expériences clés que nous avons à l'esprit pour les applications des matériaux quantiques du CXFEL consistent à étudier ce matériau même - l'oxyde de cuivre et de baryum d'yttrium.

Q : Quels ont été les autres moments charnières de votre carrière qui vous ont amené là où vous êtes aujourd'hui ?

UN: Je me suis vraiment intéressé aux lasers en tant que premier cycle, mais je n'ai jamais eu la chance de faire autant de recherches de premier cycle sur les matériaux. Puis, à l'école doctorale, j'ai pu appliquer cette passion pour les matériaux complexes qui a commencé dans la classe du professeur Yakovenko. Ensuite, mon travail postdoctoral est né essentiellement parce que j'avais des questions sur des problèmes sur lesquels je travaillais. Je sentais que les lasers optiques ne pouvaient pas voir les choses sur les matériaux que je voulais vraiment voir. Après avoir appris ce que les gens faisaient avec les XFEL, je voulais vraiment pouvoir répondre à ces questions et voir les choses pour lesquelles vous avez vraiment besoin de rayons X. La majorité du mouvement du cristal n'est pas facilement accessible avec des lasers optiques. Pour qu'un laser optique puisse observer les vibrations du cristal, il ne peut voir que des choses où chaque cellule du cristal fait la même chose en même temps. Ce qui, si vous pensez à tous les différents arrangements de vibrations qui peuvent se produire, c'est une très, très, très petite fraction d'entre eux.

Q : Vous avez décrit la physique comme un « outil que vous pouvez emporter partout avec vous ». Appliquez-vous cet état d'esprit à vos intérêts personnels ou à vos passe-temps ? Ces intérêts complètent-ils votre travail ?

UN: Vous finissez par voir la physique partout où vous allez. J'adore le cyclisme, et l'un des aspects amusants du cyclisme est qu'il est vraiment facile de faire soi-même toutes les réparations sur son vélo. Un vélo est une machine dont vous pouvez facilement voir toutes les pièces mobiles et comment elles fonctionnent ensemble. Mais j'aime aussi beaucoup faire du vélo parce que je peux éteindre mon cerveau et ne pas penser à la physique pendant un moment. Je pense que nous avons tous besoin d'un peu de temps loin du travail. La cuisine est quelque chose que j'aime, et elle a une longue intersection avec la chimie, ce que j'ai étudié en tant que premier cycle. Vous pouvez utiliser la chimie pour éclairer votre cuisine et comprendre pourquoi certaines recettes fonctionnent et d'autres non.

D'un autre côté, ma formation en arts visuels et en théâtre m'a vraiment aidée dans mon travail de scientifique. Ces deux éléments m'ont été très utiles pour perfectionner mes compétences en communication et m'apprendre à m'amuser à présenter mon travail. Si vous ne pouvez pas expliquer ce que vous faites en tant que scientifique de manière claire et engageante, vous ne pourrez pas collaborer avec qui que ce soit, vous ne pourrez former personne, et cela rendra l'obtention de subventions et de prix d'autant plus difficile.

Q : Qu'est-ce qui vous motive et vous passionne le plus dans votre travail ?

UN: Travailler avec les étudiants. L'un des avantages d'être membre du corps professoral est qu'on vous rappelle constamment ce que c'était que d'apprendre ce genre de choses la première fois, et je pense que cela m'empêche vraiment de devenir cynique à propos de mon travail.

Q : Quelle application potentielle ou quel aspect du CXFEL vous intéresse le plus ?

UN: Donc, l'oxyde de cuivre et de baryum yttrium, le supraconducteur à haute température dont j'ai parlé plus tôt ? La majeure partie de "l'action" qui rend la supraconductivité qui nous intéresse se trouve dans les atomes de cuivre et d'oxygène du cristal. CXFEL pourra voir les électrons se déplacer à travers ces liaisons chimiques, entre les atomes d'oxygène et de cuivre en temps réel. Nous pourrons voir ce qui se passe lorsque vous appliquez un champ laser puissant à un supraconducteur à haute température.

Il est prédit qu'il existe de nouveaux états de matière dans ces matériaux qui n'existent que lorsque les champs laser sont activés, et nous ne pouvons les voir qu'avec une machine comme CXFEL. Je pense que cela pourrait potentiellement ouvrir un tout nouveau domaine parce que nous verrons de nouvelles choses, et voir de nouvelles choses changera notre façon de penser le monde.

Q : Qui a eu le plus grand impact/influence sur vous en tant que personne ?

UN: Mes parents. Mon père était biochimiste à l'EPA et maintenant il est assistant médical, et ma mère est docteur en santé au travail. Mes deux parents m'ont vraiment inculqué l'amour du monde naturel, la curiosité et m'ont donné la liberté d'explorer. Je voudrais les remercier de m'avoir laissé nettoyer mes Legos à mon rythme et d'avoir accepté que j'avais un plan pour cette pile de Legos. Cela semble probablement terriblement familier à mes collègues de nos jours. « Non, non, ne le nettoie pas. J'ai un plan pour cette installation ! »

Le Biodesign Institute et ses laboratoires CXFEL sont partiellement soutenus par le Technology and Research Initiative Fund de l'Arizona. L'investissement de TRIF a permis une formation pratique pour des dizaines de milliers d'étudiants dans les universités de l'Arizona, des milliers de découvertes scientifiques et de technologies brevetées, et des centaines de nouvelles entreprises en démarrage. Soutenu publiquement grâce à l'approbation des électeurs, TRIF est une ressource essentielle pour la croissance de l'économie de l'Arizona et offre aux résidents de l'Arizona des opportunités de travailler, d'apprendre et de prospérer.

Directrice adjointe de la stratégie de contenu, Knowledge Enterprise

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