Последние десятилетия была разгадана загадка дипольного момента AlCl
Развитие технологии клистронов для будущих энергоэффективных коллайдеров
В физике элементарных частиц бозон Хиггса является наиболее интригующим и необычным объектом, открытым фундаментальной наукой. Создание электрон-позитронного коллайдера для его интенсивного производства и детального изучения является первоочередной задачей экспериментальной физики.
Учитывая важность энергоэффективности и экономической целесообразности в современном геополитическом контексте, разработка такой технологии, как клистрон, приобретает уникальное стратегическое значение. Клистрон — это технология, которая будет потреблять большую часть энергии на каждом крупном рассматриваемом электрон-позитронном коллайдере, но исторически достигала лишь 60% энергоэффективности.
История клистрона
Клистрон был изобретён в 1937 году двумя американскими братьями, Расселом и Сигурдом Варианами. Они хотели усовершенствовать радарные системы самолётов. В то время росла потребность в улучшении высокочастотного усиления для обнаружения объектов на расстоянии с помощью радара — критически важной технологии в преддверии Второй мировой войны.
Радар помогал выиграть Битву за Британию, Битву за Атлантику и морские сражения в Тихом океане, усложняя внезапные атаки путём заблаговременного предупреждения. Уинстон Черчилль называл радар «секретным оружием Второй мировой войны», а клистрон был одной из его ключевых технологий.
Благодаря высокому коэффициенту усиления и узкой полосе пропускания клистрон стал первым практическим микроволновым усилителем и стал основополагающим в радиочастотной (РЧ) технологии.
Применение клистронов
Клистроны используются в спутниковой связи, радиовещании и ускорителях частиц, где они питают резонансные РЧ-резонаторы, ускоряющие пучки. Они также широко распространены в медицинских, промышленных и исследовательских ускорителях — и не в последнюю очередь в следующем поколении фабрик по производству бозонов Хиггса, которые занимают центральное место в будущем физики высоких энергий.
Оптимизация энергоэффективности клистронов
При разработке новых ускорителей частиц оптимизация энергоэффективности клистронов и других устройств, которые будут определять конечные расходы на электроэнергию и выбросы CO₂, является задачей первостепенной важности. Поэтому почти десять лет назад эксперты по радиочастотам в ЦЕРН и Университете Ланкастера начали проект High-Efficiency Klystron (HEK), чтобы максимизировать эффективность преобразования энергии пучка в РЧ-мощность.
Сложность клистронов заключается в очень нелинейных полях, которым подвергаются электроны. В катоде и первых стадиях электростатического ускорения коллективный эффект сил «пространственного заряда» между электронами определяет сильно нелинейную динамику пучка.
С 2017 года ЦЕРН разработал код под названием KlyC, который моделирует пучок вдоль канала клистрона и оптимизирует такие параметры, как частота и расстояние между резонаторами, в 100–1000 раз быстрее, чем коммерческие трёхмерные коды.
Измерение электрического дипольного момента монофторида алюминия (AlCl)
В исследовании, которое закрывает давний пробел в фундаментальной науке, исследователи Борге Хеммерлинг и Стивен Кейн из Калифорнийского университета в Риверсайде успешно измерили электрический дипольный момент монофторида алюминия (AlCl), простой, но критически важной с научной точки зрения двухатомной молекулы.
Их результаты, опубликованные в Physical Review A, имеют значение для квантовых технологий, астрофизики и планетологии. В статье под названием «Измерение электрического дипольного момента AlCl методом спектроскопии уровней Штарка» исследователи представили точные измерения, которые заменяют теоретические прогнозы надёжными экспериментальными данными.
Электрический дипольный момент возникает, когда положительные и отрицательные заряды разделены внутри молекулы, создавая неравномерное распределение электронов. В химии дипольные моменты влияют на всё: от поведения при связывании до взаимодействий с растворителями. В биологии они влияют на такие явления, как водородные связи в воде. В физике и астрономии дипольные моменты можно использовать для взаимодействия соседних молекул, например, для создания квантовой запутанности между ними.
Хеммерлинг объяснил, что AlCl играет решающую роль в нескольких научных областях. Он сказал, что молекула стала перспективным кандидатом в разработке платформ для ультрахолодных квантовых вычислений, где точное понимание межмолекулярных взаимодействий, обусловленных дипольным моментом, имеет важное значение.
Исследование использовало сложную экспериментальную установку, разработанную в течение семи лет в Калифорнийском университете в Риверсайде, с использованием специально изготовленных лазеров, вакуумных систем и электроники, предназначенных для высокоточной спектроскопии.
Команда, в сотрудничестве с Даниэлем МакКэрроном из Университета Коннектикута, впервые смогла определить гипертонкую структуру и изотопные сдвиги молекулы. Команда Калифорнийского университета в Риверсайде стремится продолжить изучение AlCl.
«От улучшения нашего понимания далёких звёзд до создания квантовых компьютеров нового поколения точное измерение электрического дипольного момента AlCl является основополагающим шагом на пути к открытию будущих открытий», — сказал Хеммерлинг.