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Un laser à rayons X supraconducteur en Californie atteint des températures plus froides que l’espace

Un accélérateur de particules qui claque des électrons ensemble ici sur Terre a atteint des températures plus froides que celles de l’espace extra-atmosphérique.

En utilisant le radiographie laser à électrons libres au ministère de l’Énergie Laboratoire national des accélérateurs SLAC– dans le cadre d’un projet de mise à niveau de la source de lumière cohérente du Linac (LCLS), appelée LCLS II – les scientifiques ont refroidi l’hélium liquide à moins 456 degrés Fahrenheit (moins 271 degrés Celsius), ou 2 kelvins .

C’est juste 2 kelvins au-dessus du zéro absolu, la température la plus froide possible à laquelle tout mouvement de particules cesse.

Cet environnement glacial est crucial pour l’accélérateur, car à des températures aussi basses, la machine devient supraconductrice, ce qui signifie qu’elle peut stimuler les électrons à travers elle avec une perte d’énergie à peu près nulle.

Même les régions vides de l’espace ne sont pas aussi froides, car elles sont encore remplies du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes, un vestige de peu de temps après la Big Bang qui a une température uniforme de moins 454 F (moins 271 C), ou 3 K.

“L’accélérateur supraconducteur de nouvelle génération du laser à rayons X à électrons libres LCLS-II a atteint sa température de fonctionnement de 2 degrés au-dessus du zéro absolu”, a déclaré Andrew Burrill, directeur de la direction des accélérateurs du SLAC, à Live Science.

LCLS-II est maintenant prêt à commencer à accélérer des électrons à 1 million d’impulsions par seconde, ce qui est un record mondial, a-t-il ajouté.

“C’est quatre ordres de grandeur d’impulsions de plus par seconde que son prédécesseur, le LCLS, ce qui signifie qu’en quelques heures seulement, nous aurons envoyé plus de rayons X aux utilisateurs. [who aim to utilize them in experiments] que LCLS a fait au cours des 10 dernières années », a déclaré Burrill.

C’est l’une des dernières étapes que LCLS-II doit franchir avant de pouvoir continuer à produire des impulsions de rayons X qui sont en moyenne 10 000 fois plus lumineuses que celles créées par son prédécesseur.

Cela devrait aider les chercheurs à sonder des matériaux complexes avec des détails sans précédent. Les impulsions laser à haute intensité et haute fréquence permettent aux chercheurs de voir comment les électrons et les atomes dans les matériaux interagissent avec une clarté sans précédent.

Cela aura un certain nombre d’applications, allant de l’aide à révéler “comment les systèmes moléculaires naturels et artificiels convertissent la lumière du soleil en carburants, et donc comment contrôler ces processus, à la compréhension des propriétés fondamentales des matériaux qui permettront l’informatique quantique”, a déclaré Burill. .

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Créer les climats glaciaux à l’intérieur de l’accélérateur a demandé du travail. Pour empêcher l’hélium de s’évaporer, par exemple, l’équipe avait besoin de très basses pressions.

Eric Fauve, directeur de la division cryogénique du SLAC, a déclaré à Live Science qu’au niveau de la mer, l’eau pure bout à 212 F (100 C), mais cette température d’ébullition varie avec la pression.

Par exemple, dans un autocuiseur, la pression est plus élevée et l’eau bout à 250 F (121 C), tandis que l’inverse est vrai en altitude, où la pression est plus faible et l’eau bout à une température plus basse.

“Pour l’hélium, c’est à peu près la même chose. À la pression atmosphérique, l’hélium bouillira à 4,2 kelvins, cependant; cette température diminuera si la pression diminue”, a déclaré Fauve.

“Pour abaisser la température à 2,0 kelvin, nous avons besoin d’une pression d’à peine 1/30 de la pression atmosphérique.”

Pour atteindre ces basses pressions, l’équipe utilise cinq compresseurs centrifuges cryogéniques, qui compriment l’hélium pour le refroidir, puis le laissent se dilater dans une chambre pour abaisser la pression, ce qui en fait l’un des rares endroits sur Terreoù l’hélium 2,0 K peut être produit à grande échelle.

Fauve a expliqué que chaque compresseur froid est une machine centrifuge équipée d’un rotor/impulseur similaire à celui d’un turbocompresseur de moteur.

“Pendant qu’elle tourne, la roue accélère les molécules d’hélium créant un vide au centre de la roue où les molécules sont aspirées, générant une pression à la périphérie de la roue où les molécules [are] éjecté », a-t-il déclaré.

La compression oblige l’hélium à prendre son état liquide, mais l’hélium s’échappe dans ce vide, où il se dilate rapidement en se refroidissant.

Outre ses applications ultimes, l’hydrogène ultra-froid créé au LCLS-II est une curiosité scientifique en soi.

“A 2,0 kelvin, l’hélium devient un superfluide, appelé hélium II, qui a des propriétés extraordinaires”, a déclaré Fauve. Par exemple, il conduit la chaleur des centaines de fois plus efficacement que le cuivre, et sa viscosité – ou résistance à l’écoulement – ​​est si faible que cela ne peut pas être mesuré, a-t-il ajouté.

Pour LCLS-II, 2 kelvins est aussi bas que les températures devraient aller.

“Des températures plus basses peuvent être atteintes avec des systèmes de refroidissement très spécialisés qui peuvent atteindre une fraction de degré au-dessus du zéro absolu, là où tout mouvement s’arrête”, a déclaré Burrill.

Mais ce laser particulier n’a pas la capacité d’atteindre ces extrêmes, a-t-il déclaré.

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Cet article a été initialement publié par Sciences en direct. Lire l’article d’origine ici.

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