Laser supercondutor de raios X na Califórnia atinge temperaturas mais frias que o espaço: WebCuriosos
Um acelerador de partículas que colide elétrons aqui na Terra atingiu temperaturas mais frias do que as do espaço sideral.
Usando o raio X laser de elétrons livres no Departamento de Energia Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC– parte de um projeto de atualização da Fonte de Luz Coerente Linac (LCLS), chamada LCLS II – os cientistas resfriaram o hélio líquido a menos 456 graus Fahrenheit (menos 271 graus Celsius), ou 2 Kelvins .
Isto é apenas 2 Kelvins acima do zero absoluto, a temperatura mais fria possível na qual todo o movimento das partículas cessa.
Esse ambiente gelado é crucial para o acelerador, porque em temperaturas tão baixas a máquina se torna supercondutora, o que significa que pode impulsionar elétrons através dela com quase nenhuma perda de energia.
Mesmo as regiões vazias do espaço não são tão frias, pois ainda estão preenchidas com a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, um remanescente de pouco depois do Big Bang que tem uma temperatura uniforme de menos 454 F (menos 271 C), ou 3 K.
“O acelerador supercondutor de próxima geração do laser de elétrons livres de raios X LCLS-II atingiu sua temperatura operacional de 2 graus acima do zero absoluto”, disse Andrew Burrill, diretor da Diretoria de Aceleradores do SLAC, ao WordsSideKick.com.
O LCLS-II está agora pronto para começar a acelerar elétrons a 1 milhão de pulsos por segundo, o que é um recorde mundial, acrescentou.
“Isso representa quatro ordens de magnitude a mais de pulsos por segundo do que seu antecessor, LCLS, o que significa que – em apenas algumas horas – teremos enviado mais raios X aos usuários [who aim to utilize them in experiments] do que o LCLS fez nos últimos 10 anos”, disse Burrill.
Este é um dos últimos marcos que o LCLS-II precisa alcançar antes de poder produzir pulsos de raios X que são, em média, 10.000 vezes mais brilhantes do que os criados pelo seu antecessor.
Isto deverá ajudar os investigadores a investigar materiais complexos com detalhes sem precedentes. Os pulsos de laser de alta intensidade e alta frequência permitem aos pesquisadores ver como os elétrons e átomos nos materiais interagem com uma clareza sem precedentes.
Isso terá uma série de aplicações, desde ajudar a revelar “como os sistemas moleculares naturais e artificiais convertem a luz solar em combustíveis e, portanto, como controlar esses processos, até a compreensão das propriedades fundamentais dos materiais que permitirão a computação quântica”, disse Burill. .
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Criar o clima gelado dentro do acelerador deu algum trabalho. Para evitar que o hélio fervesse, por exemplo, a equipe precisava de pressões superbaixas.
Eric Fauve, diretor da Divisão Criogênica do SLAC, disse ao Live Science que ao nível do mar, a água pura ferve a 212 F (100 C), mas essa temperatura de ebulição varia com a pressão.
Por exemplo, numa panela de pressão, a pressão é mais elevada e a água ferve a 250 F (121 C), enquanto o inverso é verdadeiro em altitude, onde a pressão é mais baixa e a água ferve a uma temperatura mais baixa.
“Para o hélio, é praticamente o mesmo. No entanto, à pressão atmosférica, o hélio ferverá a 4,2 Kelvin; esta temperatura diminuirá se a pressão diminuir”, disse Fauve.
“Para baixar a temperatura para 2,0 Kelvin, precisamos de uma pressão de apenas 1/30 da pressão atmosférica.”
Para atingir essas baixas pressões, a equipe utiliza cinco compressores centrífugos criogênicos, que comprimem o hélio para resfriá-lo e depois o deixam se expandir em uma câmara para diminuir a pressão, tornando-o um dos poucos locais no mundo. Terraonde o hélio 2,0 K pode ser produzido em larga escala.
Fauve explicou que cada compressor frio é uma máquina centrífuga equipada com um rotor/impulsor semelhante ao de um motor turbocompressor.
“Enquanto gira, o impulsor acelera as moléculas de hélio criando um vácuo no centro da roda onde as moléculas são sugadas, gerando pressão na periferia da roda onde as moléculas [are] ejetado”, disse ele.
A compressão força o hélio a assumir o estado líquido, mas o hélio escapa para esse vácuo, onde se expande rapidamente, esfriando ao fazê-lo.
Além de suas aplicações finais, o hidrogênio ultrafrio criado no LCLS-II é uma curiosidade científica por si só.
“A 2,0 Kelvin, o hélio se torna um superfluido, chamado hélio II, que possui propriedades extraordinárias”, disse Fauve. Por exemplo, ele conduz calor centenas de vezes mais eficientemente que o cobre e tem uma viscosidade tão baixa – ou resistência ao fluxo – que isso não pode ser medido, acrescentou.
Para LCLS-II, 2 Kelvins é o valor mais baixo esperado para as temperaturas.
“Temperaturas mais baixas podem ser alcançadas com sistemas de resfriamento muito especializados que podem atingir uma fração de grau acima do zero absoluto, onde todo o movimento para”, disse Burrill.
Mas este laser específico não tem a capacidade de atingir esses extremos, disse ele.
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Este artigo foi publicado originalmente por Ciência Viva. Leia o artigo original aqui.
