Сверхпроводящий рентгеновский лазер в Калифорнии достиг температуры холоднее, чем в космосе

Ускоритель частиц, который сталкивает электроны друг с другом здесь, на Земле, достиг температуры холоднее, чем в космосе.

Используя рентгеновский лазер на свободных электронах в Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики - часть проекта модернизации источника когерентного света Linac (LCLS) под названием LCLS II - ученые охладили жидкий гелий до минус 456 градусов по Фаренгейту (минус 271 градус по Цельсию), или 2 кельвинов.

Это всего на 2 кельвина выше абсолютного нуля, самой низкой температуры, при которой прекращается движение частиц.

Эта морозная среда очень важна для ускорителя, потому что при таких низких температурах машина становится сверхпроводящей, то есть она может прогонять электроны через себя практически с нулевой потерей энергии.

Даже пустые области космоса не такие холодные, поскольку они все еще заполнены космическим микроволновым фоновым излучением - остатком, возникшим вскоре после Большого взрыва и имеющим равномерную температуру минус 454 F (минус 271 C), или 3 K. 

"Сверхпроводящий ускоритель нового поколения рентгеновского лазера на свободных электронах LCLS-II достиг рабочей температуры в 2 градуса выше абсолютного нуля, - сообщил Live Science Эндрю Беррилл, директор директората ускорителей SLAC.

LCLS-II теперь готов начать ускорение электронов со скоростью 1 миллион импульсов в секунду, что является мировым рекордом, добавил он.

"Это на четыре порядка больше импульсов в секунду, чем у его предшественника LCLS, что означает, что всего за несколько часов мы отправим пользователям [которые хотят использовать их в экспериментах] больше рентгеновских лучей, чем LCLS сделал за последние 10 лет, - сказал Беррилл. 

Это один из последних этапов, который LCLS-II должен пройти, прежде чем он сможет производить рентгеновские импульсы, которые в среднем в 10 000 раз ярче, чем те, которые создаются его предшественником.

Это поможет исследователям изучать сложные материалы с беспрецедентной детализацией. Высокоинтенсивные и высокочастотные лазерные импульсы позволяют исследователям увидеть, как электроны и атомы в материалах взаимодействуют с беспрецедентной четкостью.

Это будет иметь ряд применений, от помощи в раскрытии того, "как природные и искусственные молекулярные системы преобразуют солнечный свет в топливо, и, следовательно, как контролировать эти процессы, до понимания фундаментальных свойств материалов, которые позволят осуществлять квантовые вычисления", - сказал Бурилл.

Похожие статьи: 10 космических тайн, которые может разгадать Большой адронный коллайдер

Создание морозного климата внутри ускорителя потребовало определенных усилий. Например, чтобы гелий не выкипал, команде потребовалось сверхнизкое давление.

Эрик Фаув, директор Криогенного отдела SLAC, рассказал Live Science, что на уровне моря чистая вода закипает при температуре 212 F (100 C), но эта температура кипения меняется в зависимости от давления.

Например, в скороварке давление выше, и вода закипает при 250 F (121 C), а на высоте все наоборот: давление ниже, и вода закипает при более низкой температуре.

"С гелием дело обстоит точно так же. При атмосферном давлении гелий закипает при температуре 4,2 кельвина, однако при снижении давления эта температура уменьшается", - сказал Фаув.

"Чтобы снизить температуру до 2,0 кельвина, нам нужно иметь давление всего 1/30 от атмосферного".

Для достижения такого низкого давления команда использует пять криогенных центробежных компрессоров, которые сжимают гелий для его охлаждения, а затем позволяют ему расширяться в камере для снижения давления, что делает его одним из немногих мест на Земле, где гелий 2,0 К можно производить в больших масштабах.

Фове объяснил, что каждый холодный компрессор представляет собой центробежную машину, оснащенную ротором/крыльчаткой, похожей на турбокомпрессор двигателя.

"Вращаясь, крыльчатка ускоряет молекулы гелия, создавая вакуум в центре колеса, где молекулы всасываются, и создавая давление на периферии колеса, где молекулы [выбрасываются]", - сказал он.

Сжатие заставляет гелий принять жидкое состояние, но гелий вырывается в этот вакуум, где он быстро расширяется, охлаждаясь при этом". 

Помимо своего конечного применения, ультрахолодный водород, созданный на LCLS-II, сам по себе является научной диковинкой.

"При температуре 2,0 кельвина гелий превращается в сверхтекучую жидкость, называемую гелием II, которая обладает необыкновенными свойствами, - говорит Фаув. Например, он проводит тепло в сотни раз эффективнее, чем медь, и обладает настолько низкой вязкостью - или сопротивлением течению - что это невозможно измерить, добавил он.

Для LCLS-II температура в 2 кельвина является максимально низкой.

"Более низкие температуры могут быть достигнуты с помощью очень специализированных систем охлаждения, которые могут достичь температуры на доли градуса выше абсолютного нуля, где все движение останавливается", - сказал Беррилл. 

Но у этого конкретного лазера нет возможности достичь таких экстремальных значений, сказал он.