미국 에너지부 SLAC National Accelerator 연구소의 X 선 자유 전자 레이저를 이용하여 과학자들은 액체 헬륨을 영하 456 도 (영하 27 1 섭씨) 인 2 켈빈으로 냉각시켰다. 이것은 LCLS II 라는 선형 가속기 관련 광원 (LCLS) 업그레이드 프로젝트의 일부입니다.
이 온도는 절대 0 도보다 2 켈빈, 절대 0 도는 모든 입자가 움직임을 멈추는 최저 온도입니다.
이런 추운 환경을 만드는 것은 가속기에게 매우 중요하다. 이렇게 낮은 온도에서는 가속기가 초전도가 되기 때문이다. 즉, 에너지 손실이 거의 없는 전자 통과를 추진할 수 있기 때문이다.
사실, 우주의 빈 영역조차도 그렇게 춥지 않다. 왜냐하면 그들은 여전히 우주 마이크로파 배경 복사로 가득 차 있기 때문이다. 이것은 우주 빅뱅 직후 잔류물이다. 온도는 영하 454 화씨, 즉 3 켈빈이다. (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 우주명언)
SLAC 가속기 위원회 주임인 Andrew Burrill 은 "LCLS-II X 선 자유 전자 레이저의 차세대 초전도 가속기의 작동 온도는 이미 절대 0 도 이상 섭씨 2 도에 달했다" 고 말했다. LCLS 2 호는 이제 초당 654 억 38+0 억 펄스의 속도로 전자를 가속할 준비가 되어 있어 세계 기록이 될 것이다. "
앤드류 버릴은 이렇게 덧붙였습니다. "이는 이전 LCLS 보다 4 배 더 많습니다. 즉, 단 몇 시간 만에 LCLS 보다 65,438+00 년 더 많은 엑스레이를 사용자에게 보낼 것입니다."
이것은 LCLS-2 가 완성해야 할 마지막 이정표 중 하나이며, 그 후 X-레이 펄스를 계속 생성하여 전임자가 만든 펄스보다 10000 배 더 밝습니다.
이 모든 것은 연구원들이 전례 없는 세부 사항으로 복잡한 재질을 탐지하는 데 도움이 될 것이다. 강도가 높고 주파수가 높은 레이저 펄스를 통해 연구원들은 전례 없는 선명도로 전자와 원자가 재료에서 어떻게 상호 작용하는지 관찰할 수 있다.
이것은 많은 응용에 도움이 될 것이며, "자연 및 인공 분자 시스템이 햇빛을 연료로 변환하는 방법, 이러한 과정을 제어하는 방법, 양자 계산을 가능하게 하는 재료의 기본 특성을 이해하는 방법" 을 밝히는 데 도움이 될 것입니다.
사실, 가속기에서 이런 추운 환경을 창조하려면 복잡한 작업이 필요하다. 예를 들어 헬륨이 끓지 않도록 팀은 초저압력이 필요하다.
SLAC 저온 부문 주임인 에릭 포웨이 (Eric Fauve) 는 "해수면에서 순수한 물의 끓는 점은 화씨 2 12 도 (100 도) 이지만 이 끓는 점은 압력에 따라 변한다" 고 설명했다. 예를 들어 압력솥에서는 압력이 더 높고, 물은 화씨 250 도 (12 1 섭씨) 에서 끓고, 고도는 반대로 압력이 낮고 물은 더 낮은 온도에서 끓는다. "
에릭 푸프는 "헬륨도 마찬가지다. 그러나 표준 기압에서 헬륨은 4.2 켈빈에서 끓는다. 기압이 떨어지면 온도가 떨어진다. 온도를 2.0 켈빈으로 낮추기 위해 우리가 필요로 하는 압력은 기압의 1/30 에 불과하다. "
이 저압에 도달하기 위해 이 팀은 헬륨가스를 압축하여 식힌 다음 한 챔버에서 팽창하여 압력을 낮추어 지구 상에서 2.0 켈빈 헬륨을 대량으로 생산할 수 있는 소수의 장소로 만드는 5 개의 저온 원심압축기를 사용했다.
각 저온 원심압축기는 회전자/잎바퀴가 장착된 원심분리기로 엔진 터빈 압축기의 회전자/잎바퀴와 비슷합니다. 회전하는 동안 잎바퀴는 헬륨 분자를 가속화하고, 바퀴 중심에 진공을 만들어 분자를 흡입시키고, 바퀴 주변에 압력을 발생시켜 분자를 뿜어낸다. 압축은 헬륨이 액체 상태를 나타내도록 강요했지만 헬륨은 진공으로 빠져나와 진공에서 빠르게 팽창하면서 동시에 냉각되었다.
그것의 최종 응용을 제외하고, LCLS 2 호가 생산하는 초냉헬륨 자체는 과학적 기적이다.
2.0 켈빈에서는 헬륨이 초유체가 되어 헬륨 2 라고 불리며 비범한 특성을 가지고 있다. 예를 들어, 열전도도는 구리의 수백 배에 달하며 점도 (또는 흐름 저항) 는 매우 낮아서 측정할 수 없을 정도로 낮습니다.
LCLS 2 호의 경우, 2 켈빈은 이미 예상되는 최저 온도이다.
SLAC 가속기 위원회 주임인 Andrew Burrill 은 "매우 특수한 냉각 시스템을 통해 더 낮은 온도에 도달할 수 있고 절대 영도 이상의 온도에 도달할 수 있지만, 이 온도에서는 모든 운동이 중단되었다" 고 말했다. 그러나 이런 특수한 레이저는 이러한 극단적인 상황을 실현할 능력이 없다. "