在地球上，一臺(tái)將電子碰撞在一起的粒子加速器，達(dá)到了比外層空間更低的溫度。

利用美國(guó)能源部 SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的X射線自由電子激光器，科學(xué)家們將液氦冷卻到零下456華氏度（零下271攝氏度），或2開爾文。這是直線加速器相干光源 (LCLS) 升級(jí)項(xiàng)目的一部分，稱為 LCLS II。

這個(gè)溫度只比絕對(duì)零度高 2 開爾文，絕對(duì)零度是所有粒子停止運(yùn)動(dòng)的最低溫度。

營(yíng)造這種寒冷的環(huán)境對(duì)加速器至關(guān)重要，因?yàn)樵谌绱说偷臏囟认?，機(jī)器會(huì)變得超導(dǎo)，這意味著它可以在幾乎零能量損失的情況下推動(dòng)電子通過。

實(shí)際上，即使是太空中的空白區(qū)域也沒有這么冷，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀怀錆M了宇宙微波背景輻射，這是大爆炸后不久的殘留物，溫度統(tǒng)一為：零下454華氏度，即 3 開爾文。

SLAC加速器理事會(huì)主任安德魯·伯里爾（Andrew Burrill）表示：“LCLS-II X射線自由電子激光器的下一代超導(dǎo)加速器的工作溫度已經(jīng)達(dá)到絕對(duì)零度以上2攝氏度。LCLS-II 現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好開始以每秒100萬次脈沖的速度加速電子，這將是一項(xiàng)世界紀(jì)錄?！?/p>

安德魯·伯里爾補(bǔ)充道：“這比它的前身 LCLS 每秒脈沖多4個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著，在短短幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，我們將向用戶發(fā)送比 LCLS 過去10年所做的更多的X射線?！?/p>

這是 LCLS-II 需要完成的最后一個(gè)里程碑之一，然后，它才能繼續(xù)產(chǎn)生平均比其前身創(chuàng)造的 X射線脈沖亮 10000 倍的 X射線脈沖。

這一切將有助于研究人員以前所未有的細(xì)節(jié)探測(cè)復(fù)雜材料。高強(qiáng)度、高頻激光脈沖使研究人員能夠以前所未有的清晰度，觀察材料中的電子和原子是如何相互作用的。

這將有助于許多應(yīng)用，從幫助揭示“自然和人造分子系統(tǒng)如何將陽光轉(zhuǎn)化為燃料，從而如何控制這些過程，到了解將使量子計(jì)算成為可能的材料的基本性質(zhì)”。

事實(shí)上，在加速器內(nèi)創(chuàng)造如此寒冷的環(huán)境需要一些復(fù)雜的工作。例如，為了防止氦氣沸騰，該團(tuán)隊(duì)需要超低壓力。

SLAC 低溫部門主任埃里克·福夫（Eric Fauve）解釋道：“在海平面上，純水的沸點(diǎn)為 212華氏度（100攝氏度），但這種沸點(diǎn)會(huì)隨壓力而變化。例如，在高壓鍋中，壓力較高，水在250華氏度（121攝氏度）沸騰，而在海拔高度則相反，那里的壓力較低，水在較低的溫度沸騰?！?/p>

埃里克·福夫補(bǔ)充道：“氦氣也是如此。然而，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氦會(huì)在4.2開爾文沸騰。如果氣壓下降，溫度就會(huì)下降。要將溫度降低到 2.0 開爾文，我們需要的壓力僅為大氣壓的 1/30?！?/p>

為了達(dá)到這樣的低壓，該團(tuán)隊(duì)使用了五個(gè)低溫離心壓縮機(jī)，它們壓縮氦氣使其冷卻，然后讓它在一個(gè)腔室中膨脹以降低壓力，使其成為地球上少數(shù)幾個(gè)可以大規(guī)模生產(chǎn)2.0開爾文氦的地方之一。

每臺(tái)低溫離心壓縮機(jī)都是一臺(tái)配備了轉(zhuǎn)子/葉輪的離心機(jī)，與發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子/葉輪類似。當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪加速氦氣分子，在輪子中心產(chǎn)生真空，分子被吸入，在輪子外圍產(chǎn)生壓力，分子被噴射出來。壓縮迫使氦氣呈現(xiàn)液態(tài)，但氦逃逸到這個(gè)真空中，在那里它迅速膨脹，同時(shí)冷卻。

除了它的終極應(yīng)用之外，LCLS-II 產(chǎn)生的超冷氦氣本身就是一個(gè)科學(xué)奇觀。

在2.0開爾文時(shí)，氦會(huì)變成超流體，稱為氦II，具有非凡的特性。例如，它的導(dǎo)熱效率是銅的數(shù)百倍，而且它的粘度（或流動(dòng)阻力）很非常低，低到無法測(cè)量。

對(duì)于LCLS-II來說，2 開爾文已經(jīng)是預(yù)計(jì)的最低溫度了。

SLAC加速器理事會(huì)主任安德魯·伯里爾表示：“雖然，通過非常專門的冷卻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更低的溫度，這種系統(tǒng)可以達(dá)到絕對(duì)零度以上幾分之一的溫度，但在這種溫度下，所有運(yùn)動(dòng)都停止了。但這種特殊的激光沒有能力達(dá)到這些極端情況?！?/p>