ليزر الأشعة السينية فائق التوصيل حقق درجات حرارة أبرد من الفضاء هنا على الأرض

ليزر الأشعة السينية فائق التوصيل حقق درجات حرارة أبرد من الفضاء هنا على الأرض

المسرع LCLS-II ، حيث تم تحقيق درجات حرارة 2 كلفن فوق الصفر المطلق.

أصبح نفق بطول نصف ميل تحت مينلو بارك بكاليفورنيا ، أكثر برودة من معظم الكون. 

معجل الجسيمات الذي يضرب الإلكترونات معًا هنا على الأرض ، حقق درجات حرارة أبرد من تلك الموجودة في الفضاء الخارجي.

باستخدام ليزر الإلكترون الخالي من الأشعة السينية في مختبر التسريع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة   - جزء من مشروع ترقية لمصدر Linac Coherent Light Source (LCLS) ، المسمى LCLS II - قام العلماء بتبريد الهيليوم السائل إلى 456 درجة فهرنهايت تحت الصفر (ناقص 271) درجة مئوية) ، أو 2 درجة كلن . هذا فقط 2 كلفن فوق الصفر المطلق ، أبرد درجة حرارة ممكنة تتوقف عندها كل حركة الجسيمات. هذه البيئة المتجمدة أمر بالغ الأهمية للمسرع ، لأنه في درجات الحرارة المنخفضة هذه تصبح الآلة فائقة التوصيل ، مما يعني أنها يمكن أن تعزز الإلكترونات من خلالها مع فقدان الطاقة بنسبة صفر تقريبًا.

حتى المناطق الفارغة من الفضاء ليست بهذا البرودة ، لأنها لا تزال مليئة بإشعاع الخلفية الكونية الميكروويف ، وهي بقايا من الانفجار الكبير بعد فترة وجيزة من الانفجار الكبير الذي تبلغ درجة حرارته سالب 454 فهرنهايت (ناقص 271 درجة مئوية) ، أو 3 كلفن. 

قال أندرو بوريل ، مدير مديرية التسريع في SLAC لـ Live Science Arab: "لقد وصل مُسرِّع الجيل التالي فائق التوصيل لليزر الإلكترون الخالي من الأشعة السينية LCLS-II إلى درجة حرارة تشغيله البالغة درجتين فوق الصفر المطلق".

وأضاف أن LCLS-II جاهز الآن لبدء تسريع الإلكترونات بمعدل مليون نبضة في الثانية ، وهو رقم قياسي عالمي.

"هذه نبضات تزيد بمقدار أربع مرات في الثانية عن سابقتها ، LCLS ، مما يعني أننا - في غضون ساعات قليلة - سنرسل عددًا أكبر من الأشعة السينية إلى المستخدمين [الذين يهدفون إلى استخدامها في التجارب] مما فعلته LCLS في قال بوريل "العشر سنوات الماضية". 

هذا هو أحد المعالم الأخيرة التي يحتاج LCLS-II إلى تحقيقها قبل أن يتمكن من إنتاج نبضات الأشعة السينية التي تكون في المتوسط ​​أكثر سطوعًا بـ 10000 مرة من تلك التي تم إنشاؤها بواسطة سابقتها. هذا من شأنه أن يساعد الباحثين على فحص المواد المعقدة بتفاصيل غير مسبوقة. تمكّن نبضات الليزر عالية الكثافة وعالية التردد الباحثين من رؤية كيفية تفاعل الإلكترونات والذرات في المواد بوضوح غير مسبوق. وقال بوريل إن هذا سيكون له عدد من التطبيقات ، من المساعدة في الكشف عن "كيف تحول الأنظمة الجزيئية الطبيعية والتي من صنع الإنسان ضوء الشمس إلى وقود ، وبالتالي كيفية التحكم في هذه العمليات ، إلى فهم الخصائص الأساسية للمواد التي ستمكن الحوسبة الكمومية". .

يتم ضخ الموجات الدقيقة عبر التجاويف المبردة ، مما يسرع الإلكترونات إلى ما يقرب من سرعة الضوء

استغرق إنشاء مناخات التجميد داخل المسرع بعض العمل. لمنع الهيليوم من الغليان ، على سبيل المثال ، احتاج الفريق إلى ضغوط منخفضة للغاية.

أخبر إريك فوف ، مدير قسم التبريد في SLAC ، Live Science Arab أنه عند مستوى سطح البحر ، يغلي الماء النقي عند 212 فهرنهايت (100 درجة مئوية) ، لكن درجة حرارة الغليان هذه تختلف باختلاف الضغط. على سبيل المثال ، في قدر الضغط ، يكون الضغط أعلى ، ويغلي الماء عند درجة حرارة 250 فهرنهايت (121 درجة مئوية) ، بينما يكون العكس صحيحًا عند الارتفاع ، حيث يكون الضغط أقل ويغلي الماء عند درجة حرارة منخفضة

قال فوف: "بالنسبة للهيليوم ، فهو متماثل إلى حد كبير. عند الضغط الجوي ، يغلي الهيليوم عند 4.2 كلفن ، ومع ذلك ، ستنخفض درجة الحرارة هذه إذا انخفض الضغط". "لخفض درجة الحرارة إلى 2.0 كلفن ، نحتاج إلى ضغط 1/30 فقط من الضغط الجوي."

لتحقيق هذه الضغوط المنخفضة ، يستخدم الفريق خمسة ضواغط طاردة مركزية مبردة ، والتي تضغط الهليوم لتبريده ثم تتركه يتمدد في غرفة لخفض الضغط ، مما يجعله أحد الأماكن القليلة على الأرض حيث يمكن إنتاج 2.0 كيلو هيليوم على نطاق واسع.

أوضح فوف أن كل ضاغط بارد عبارة عن آلة طرد مركزي مزودة بدوار / دافع شبيه بآخر ضاغط توربيني للمحرك.

قال: "أثناء الدوران ، تقوم المكره بتسريع جزيئات الهيليوم مما يخلق فراغًا في مركز العجلة حيث يتم امتصاص الجزيئات ، مما يولد ضغطًا عند محيط العجلة حيث تقذف الجزيئات".

يُظهر رسم متحرك مسرع ليناك المبرد غاز الهليوم إلى مرحلته السائلة

يجبر الضغط الهليوم على أخذ حالته السائلة ، لكن الهيليوم يهرب إلى هذا الفراغ ، حيث يتمدد بسرعة ، ويبرد أثناء فعل ذلك. 

بالإضافة إلى تطبيقاته النهائية ، فإن الهيدروجين شديد البرودة الذي تم إنشاؤه في LCLS-II هو فضول علمي في حد ذاته.

قال فوف: "عند 2.0 كلفن يصبح الهيليوم سائلًا فائقًا يسمى الهليوم 2 ، وله خصائص غير عادية". على سبيل المثال ، إنها توصل الحرارة بمئات المرات بشكل أكثر كفاءة من النحاس ، ولديها لزوجة منخفضة - أو مقاومة للتدفق - بحيث لا يمكن قياسها ، على حد قوله. 

بالنسبة إلى LCLS-II ، يكون مستوى 2 درجة كلن منخفضًا بقدر ما يتوقع أن تنخفض درجات الحرارة.

وقال بوريل: "يمكن تحقيق درجات حرارة منخفضة من خلال أنظمة تبريد متخصصة للغاية يمكن أن تصل إلى جزء من درجة فوق الصفر المطلق ، حيث تتوقف كل الحركة". 

لكنه قال إن هذا الليزر بالذات ليس لديه القدرة على الوصول إلى تلك الحدود القصوى.