№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Температуру ниже, чем в космосе, удалось достигнуть в земной лаборатории

Фото: SLAC National Accelerator Laboratory

Это получилось благодаря сверхпроводящему рентгеновскому лазеру.

Ученые охладили жидкий гелий до температуры минус 271 °C, то есть всего на два градуса выше абсолютного нуля по шкале Кельвина. Это самая низкая из возможных температур, при которой прекращается движения частиц.

Температурного рекорда удалось добиться с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах Национальной ускорительной лаборатории Министерства энергетики США (SLAC). Это часть проекта модернизации источника когерентного света линейного ускорителя (LCLS), названного LCLS II.

Температура, которую получили ученые, имеет решающее значение для ускорителя, потому что при таких низких температурах машина становится сверхпроводящей. Это означает, что она может пропускать через себя электроны практически с нулевой потерей энергии.

Исследователи объясняют, что даже пустые области космоса в основном не такие холодные и имеют температуру около 3 градусов Кельвина благодаря космическому микроволновому фоновому излучению, произведенному Большим взрывом. 

«LCLS-II теперь готов начать ускорять электроны со скоростью один миллион импульсов в секунду, что является мировым рекордом. Это на четыре порядка больше импульсов в секунду, чем у его предшественника, LCLS», – Эндрю Беррилл, директор проекта.

По словам Беррилла, это должно помочь исследователям изучать сложные материалы с беспрецедентной детализацией. Высокоинтенсивные высокочастотные лазерные импульсы позволяют с беспрецедентной ясностью увидеть, как взаимодействуют в материалах электроны и атомы.

В частности, ожидается, что новое достижение позволит понять «как естественные и искусственные молекулярные системы преобразуют солнечный свет в топливо и, таким образом, как управлять этими процессами». Кроме того, по словам ученых, мы должны приблизиться к пониманию фундаментальных свойств материалов, которые сделают возможными квантовые вычисления.

Создание настолько холодного климата внутри ускорителя потребовало напряженной работы. Например, чтобы предотвратить выкипание гелия, команде требовалось сверхнизкое давление. Эрик Фов, директор криогенного отдела SLAC, напомнил, что на уровне моря чистая вода кипит при 100 °C, но в целом температура кипения зависит от давления. Например, в скороварке давление выше, и вода кипит при 121 °C, а на высоте, где давление ниже, вода кипит при более низкой температуре.

«Для гелия справедливо почти то же самое. При атмосферном давлении гелий будет кипеть при 4,2 по Кельвину, и эта температура понизится, если давление уменьшится. Чтобы понизить температуру до 2,0 Кельвина, нам нужно давление всего 1/30 от атмосферного давления», – Эрик Фов.

Чтобы достичь 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. Это делает ускоритель одним из немногих мест на Земле, где можно производить гелий с температурой 2,0 К (-271,15 °C) в больших масштабах.

Фов объяснил, что каждый холодный компрессор представляет собой центробежную машину, оснащенную ротором/крыльчаткой, подобной той, что используется в турбокомпрессоре двигателя.

«Во время вращения крыльчатка ускоряет молекулы гелия и создает вакуум в центре колеса, где молекулы всасываются, создавая давление на периферии колеса, откуда молекулы выбрасываются», — говорит Фов.

Фото: SLAC National Accelerator Laboratory
На изображении показано, как криоустановка ускорителя линейного ускорителя охлаждает газообразный гелий до его жидкой фазы

Сжатие вынуждает гелий принимать жидкое состояние, но при этом он уходит в вакуум, где быстро расширяется и охлаждается.

«При температуре 2,0 К гелий становится сверхтекучим. Это так называемый гелий II, который обладает необычными свойствами. Например, он проводит тепло в сотни раз эффективнее, чем медь, и имеет настолько низкую вязкость или сопротивление течению, что их невозможно измерить», – говорит Фов.

«Более низкие температуры могут быть достигнуты с помощью уникальных специализированных систем охлаждения, которые могут достигать доли градуса выше абсолютного нуля, когда все движение останавливается. Но этот конкретный лазер не способен достичь таких пределов», – уточнил Беррилл.