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Temperaturas más frías que el espacio logradas aquí en la Tierra usando un láser de rayos X superconductor

El acelerador LCLS-II, donde se han alcanzado temperaturas de 2 K por encima del cero absoluto. Crédito de la imagen: Greg Stewart/Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC

Un acelerador de partículas que une los electrones aquí en la Tierra ha alcanzado temperaturas más frías que las del espacio exterior.

Usando el radiografía láser de electrones libres en el Departamento de EnergíaLaboratorio Nacional de Aceleradores SLAC — parte de un proyecto de actualización de Linac Coherent Light Source LCLS, llamado LCLS II — los científicos enfriaron helio líquido a menos 456 grados Fahrenheit menos 271 grados Celsius, o 2kelvin. Eso es solo 2 kelvins por encima del cero absoluto, la temperatura más fría posible a la que cesa todo movimiento de partículas. Ese ambiente helado es crucial para el acelerador, porque a temperaturas tan bajas la máquina se vuelve superconductora, lo que significa que puede impulsar electrones a través de ella concasi cero pérdida de energía.

Incluso las regiones vacías del espacio no son tan frías, ya que todavía están llenas de la radiación cósmica de fondo de microondas, un remanente poco después del Gran Explosión que tiene una temperatura uniforme de menos 454 F menos 271 C, o 3 K.

"El acelerador superconductor de última generación del láser de electrones libres de rayos X LCLS-II ha alcanzado su temperatura de funcionamiento de 2 grados por encima del cero absoluto", dijo a Rhythm89 Andrew Burrill, director de la Dirección de Aceleradores de SLAC.

LCLS-II ahora está listo para comenzar a acelerar electrones a 1 millón de pulsos por segundo, que es un récord mundial, agregó.

"Esto es cuatro órdenes de magnitud más de pulsos por segundo que su predecesor, LCLS, lo que significa que, en solo unas pocas horas, habremos enviado más rayos X a los usuarios [que pretenden utilizarlos en experimentos] de los que ha enviado LCLShecho en los últimos 10 años", dijo Burrill.

Este es uno de los últimos hitos que debe alcanzar el LCLS-II antes de que pueda producir pulsos de rayos X que son en promedio 10 000 veces más brillantes que los creados por su predecesor. Esto debería ayudar a los investigadores a probar materiales complejos endetalle sin precedentes. Los pulsos láser de alta intensidad y alta frecuencia permiten a los investigadores ver cómo los electrones y los átomos en los materiales interactúan con una claridad sin precedentes. Esto tendrá una serie de aplicaciones, desde ayudar a revelar "cómo los sistemas moleculares naturales y artificiales se conviertenla luz del sol en combustibles y, por lo tanto, cómo controlar estos procesos, para comprender las propiedades fundamentales de los materiales que permitirán la computación cuántica", dijo Burill.

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Las microondas se bombean a través de las cavidades enfriadas, acelerando los electrones hasta casi la velocidad de la luz.Crédito de la imagen: Greg Stewart/Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC

Crear los climas helados dentro del acelerador tomó algo de trabajo. Para evitar que el helio se evaporara, por ejemplo, el equipo necesitaba presiones súper bajas.

Eric Fauve, director de la División Criogénica de SLAC, le dijo a Rhythm89 que al nivel del mar, el agua pura hierve a 212 F100 C, pero esta temperatura de ebullición varía con la presión. Por ejemplo, en una olla a presión, la presión esmás alto, y el agua hierve a 250 F 121 C, mientras que lo contrario es cierto en la altitud, donde la presión es más baja y el agua hierve a una temperatura más baja

"Para el helio, es muy parecido. A presión atmosférica, el helio hervirá a 4,2 kelvin; sin embargo, esta temperatura disminuirá si la presión disminuye", dijo Fauve. "Para bajar la temperatura a 2,0 kelvin, necesitamostener una presión de solo 1/30 de la presión atmosférica".

Para lograr estas bajas presiones, el equipo utiliza cinco compresores centrífugos criogénicos, que comprimen el helio para enfriarlo y luego dejan que se expanda en una cámara para reducir la presión, lo que lo convierte en uno de los pocos lugares en funcionamiento Tierra donde se puede producir helio de 2,0 K a gran escala.

Fauve explicó que cada compresor de frío es una máquina centrífuga equipada con un rotor/impulsor similar al de un turbocompresor de motor.

“Mientras gira, el impulsor acelera las moléculas de helio creando un vacío en el centro de la rueda donde se succionan las moléculas, generando presión en la periferia de la rueda donde se expulsan las moléculas”, dijo.

Una animación muestra la crioplanta del acelerador del LINAC enfriando el gas helio hasta su fase líquida.Crédito de la imagen: Greg Stewart/Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC

La compresión fuerza al helio a tomar su estado líquido, pero el helio escapa a este vacío, donde se expande rápidamente, enfriándose mientras lo hace.

Además de sus aplicaciones finales, el hidrógeno ultrafrío creado en LCLS-II es una curiosidad científica en sí mismo.

"A 2,0 kelvin, el helio se convierte en un superfluido, llamado helio II, que tiene propiedades extraordinarias", dijo Fauve. Por ejemplo, conduce el calor cientos de veces más eficientemente que el cobre y tiene una viscosidad tan baja, o resistencia al flujo,que esto no se puede medir, agregó.

Para LCLS-II, 2 kelvin es lo más bajo que se espera que alcancen las temperaturas.

"Se pueden lograr temperaturas más bajas con sistemas de enfriamiento muy especializados que pueden alcanzar una fracción de grado por encima del cero absoluto, donde todo movimiento se detiene", dijo Burrill.

Pero este láser en particular no tiene la capacidad de alcanzar esos extremos, dijo.

Publicado originalmente en Rhythm89.

Robert Lea es un periodista científico del Reino Unido que se especializa en ciencia, espacio, física, astronomía, astrofísica, cosmología, mecánica cuántica y tecnología. Los artículos de Rob se han publicado en Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space yZME Science. También escribe sobre comunicación científica para Elsevier y el European Journal of Physics. Rob tiene una licenciatura en física y astronomía de la Universidad Abierta del Reino Unido.