Επιστήμονες πέτυχαν θερμοκρασίες χαμηλότερες από το διάστημα

Με χρήση υπεραγώγιμου λέιζερ ακτίνων Χ.
.
.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Ένας επιταχυντής σωματιδίων που χτυπά τα ηλεκτρόνια μαζί κατάφερε να πετύχει θερμοκρασίες χαμηλότερες από αυτές του διαστήματος.

Χρησιμοποιώντας το λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή SLAC* οι επιστήμονες ψύξαν το υγρό ήλιο στους μείον 271 βαθμοί Κελσίου. Αυτό είναι μόλις 2 Κέλβιν (μείων 271,1500 βαθμοί Κελσίου) πάνω από το απόλυτο μηδέν, η ψυχρότερη δυνατή θερμοκρασία στην οποία σταματά κάθε κίνηση των σωματιδίων. Αυτό το παγωμένο περιβάλλον είναι ζωτικής σημασίας για τον επιταχυντή, επειδή σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες το μηχάνημα γίνεται υπεραγώγιμο, που σημαίνει ότι μπορεί να ενισχύσει τα ηλεκτρόνια μέσω αυτού με σχεδόν μηδενική απώλεια ενέργειας.

Ακόμη και οι κενές περιοχές του διαστήματος δεν είναι τόσο κρύες, καθώς εξακολουθούν να είναι γεμάτες με την κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου, ένα απομεινάρι από λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη που έχει ομοιόμορφη θερμοκρασία μείον 454 F (μείον 271 C) ή 3 Κ.

«Ο υπεραγώγιμος επιταχυντής επόμενης γενιάς του λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων ακτίνων Χ LCLS-II έφτασε τη θερμοκρασία λειτουργίας του στους δύο βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν», δήλωσε στο Live Science ο Άντριου Μπούριλ, διευθυντής της Διεύθυνσης Επιταχυντών της SLAC.

Το LCLS-II είναι τώρα έτοιμο να αρχίσει να επιταχύνει τα ηλεκτρόνια με ένα εκατομμύριο παλμούς ανά δευτερόλεπτο, που αποτελεί παγκόσμιο ρεκόρ, πρόσθεσε.

«Αυτοί είναι τέσσερις τάξεις μεγέθους περισσότεροι παλμοί ανά δευτερόλεπτο από τον προκάτοχό του, LCLS, που σημαίνει ότι - σε λίγες μόνο ώρες - θα έχουμε στείλει περισσότερες ακτίνες Χ στους χρήστες [που στοχεύουν να τις χρησιμοποιήσουν σε πειράματα] από ό,τι το LCLS στο τα τελευταία δεκα χρόνια», είπε ο Μπούριλ.

Αυτό είναι ένα από τα τελευταία ορόσημα που πρέπει να επιτύχει το LCLS-II για να μπορέσει να συνεχίσει να παράγει παλμούς ακτίνων Χ που είναι κατά μέσο όρο 10.000 φορές φωτεινότεροι από εκείνους που δημιούργησε ο προκάτοχός του. Αυτό θα βοηθήσει τους ερευνητές να διερευνήσουν πολύπλοκα υλικά με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια.

Οι παλμοί λέιζερ υψηλής έντασης και υψηλής συχνότητας επιτρέπουν στους ερευνητές να δουν πώς τα ηλεκτρόνια και τα άτομα στα υλικά αλληλεπιδρούν με πρωτοφανή σαφήνεια. Αυτό θα έχει μια σειρά από εφαρμογές, από το να βοηθήσει να αποκαλύψει «πώς τα φυσικά και τεχνητά μοριακά συστήματα μετατρέπουν το ηλιακό φως σε καύσιμα, και επομένως πώς να ελέγχουν αυτές τις διαδικασίες, μέχρι την κατανόηση των θεμελιωδών ιδιοτήτων των υλικών που θα επιτρέψουν τον κβαντικό υπολογισμό», είπε ο Μπούριλ.

.
.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Η δημιουργία παγετώνων μέσα στο γκάζι χρειάστηκε λίγη δουλειά. Για να μην βράσει το ήλιο, για παράδειγμα, η ομάδα χρειαζόταν εξαιρετικά χαμηλές πιέσεις.

Ο Ερίκ Φόβ, διευθυντής του Cryogenic Division στο SLAC, είπε στο Live Science ότι στο επίπεδο της θάλασσας, το καθαρό νερό βράζει στους 212 F (100 C), αλλά αυτή η θερμοκρασία βρασμού ποικίλλει ανάλογα με την πίεση. Για παράδειγμα, σε μια χύτρα ταχύτητας, η πίεση είναι υψηλότερη και το νερό βράζει στους 250 F (121 C), ενώ το αντίστροφο ισχύει σε υψόμετρο, όπου η πίεση είναι χαμηλότερη και το νερό βράζει σε χαμηλότερη θερμοκρασία

«Για το ήλιο, είναι πολύ το ίδιο. Σε ατμοσφαιρική πίεση, το ήλιο θα βράσει στους 4,2 Κέλβιν, ωστόσο, αυτή η θερμοκρασία θα μειωθεί εάν η πίεση μειωθεί», είπε ο Fauve. «Για να χαμηλώσουμε τη θερμοκρασία στα 2,0 Κέλβιν, πρέπει να έχουμε πίεση μόλις το 1/30 της ατμοσφαιρικής πίεσης».

Για να επιτύχει αυτές τις χαμηλές πιέσεις, η ομάδα χρησιμοποιεί πέντε κρυογονικούς φυγόκεντρους συμπιεστές, οι οποίοι συμπιέζουν το ήλιο για να το ψύξουν και στη συνέχεια το αφήνουν να διασταλεί σε ένα θάλαμο για να μειώσουν την πίεση, καθιστώντας το ένα από τα λίγα μέρη στη Γη όπου μπορεί να παραχθεί ήλιο 2,0 K. σε μία μεγάλη κλίμακα.

Ο Ερίκ Φόβ εξήγησε ότι κάθε ψυχρός συμπιεστής είναι μια φυγόκεντρη μηχανή εξοπλισμένη με ρότορα/πτερωτή παρόμοια με αυτή ενός στροβιλοσυμπιεστή κινητήρα.

«Κατά την περιστροφή, η πτερωτή επιταχύνει τα μόρια ηλίου δημιουργώντας ένα κενό στο κέντρο του τροχού όπου τα μόρια αναρροφούνται, δημιουργώντας πίεση στην περιφέρεια του τροχού όπου τα μόρια εκτινάσσονται», είπε.

Η συμπίεση αναγκάζει το ήλιο να πάρει την υγρή του κατάσταση, αλλά το ήλιο διαφεύγει σε αυτό το κενό, όπου διαστέλλεται γρήγορα, ψύχοντας καθώς το κάνει.

Εκτός από τις απόλυτες εφαρμογές του, το εξαιρετικά ψυχρό υδρογόνο που δημιουργήθηκε στο LCLS-II είναι από μόνο του μια επιστημονική περιέργεια.

«Σε 2,0 Κέλβιν το ήλιο γίνεται ένα υπερρευστό, που ονομάζεται ήλιο II, που έχει εξαιρετικές ιδιότητες», είπε ο Ερίκ Φόβ. Για παράδειγμα, μεταφέρει θερμότητα εκατοντάδες φορές πιο αποτελεσματικά από τον χαλκό και έχει τόσο χαμηλό ιξώδες - ή αντίσταση στη ροή - που δεν μπορεί να μετρηθεί, πρόσθεσε.

.
.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Για το LCLS-II, τα 2 Κέλβιν είναι τόσο χαμηλά όσο αναμένεται να πάνε οι θερμοκρασίες.

«Μπορούν να επιτευχθούν χαμηλότερες θερμοκρασίες με πολύ εξειδικευμένα συστήματα ψύξης που μπορούν να φτάσουν ένα κλάσμα ενός βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, όπου κάθε κίνηση σταματά», είπε ο Μπούριλ.

Αλλά το συγκεκριμένο λέιζερ δεν έχει την ικανότητα να φτάσει σε αυτά τα άκρα, είπε.

* Το SLAC National Accelerator Laboratory, το οποίο αρχικά ονομάστηκε Stanford Linear Accelerator Center, είναι ένα Εθνικό Εργαστήριο Υπουργείου Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών που λειτουργεί από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ υπό την προγραμματική διεύθυνση του Υπουργείου Ενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ