Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли ( LBNL , Berkeley Lab ) — финансируемый из федерального бюджета научно-исследовательский и опытно-конструкторский центр в холмах Беркли , Калифорния , США . Основанная в 1931 году Калифорнийским университетом (UC), лаборатория спонсируется Министерством энергетики США и управляется системой UC. [4] Эрнест Лоуренс , получивший Нобелевскую премию за изобретение циклотрона , основал лабораторию и был ее директором до своей смерти в 1958 году. Расположенная в холмах Беркли , лаборатория выходит окнами на кампус Калифорнийского университета в Беркли .
Миссия Berkeley Lab — привносить научные решения в мир. Исследования в Berkeley Lab имеют четыре основные темы: наука открытий, чистая энергия, здоровая земля и экологические системы и будущее науки. [5] 22 научных подразделения лаборатории организованы в шести областях исследований: вычислительные науки, физические науки, науки о Земле и окружающей среде, биологические науки, энергетические науки и энергетические технологии. [6] Основатель лаборатории Эрнест Лоуренс считал, что научные исследования лучше всего проводить с помощью команд людей с различными областями знаний, работающих вместе, и его лаборатория по-прежнему считает это руководящим принципом сегодня. [7]
Ученые из лаборатории Беркли получили пятнадцать Нобелевских премий по физике и химии, и в честь каждого из них на территории лаборатории названа улица. [3] 23 сотрудника лаборатории Беркли внесли вклад в отчеты Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата, которая разделила Нобелевскую премию мира . Пятнадцать ученых из лаборатории также получили Национальную медаль науки , а двое — Национальную медаль технологий и инноваций . [8] 82 исследователя из лаборатории Беркли были избраны членами Национальной академии наук или Национальной инженерной академии . [2]
Лаборатория Беркли имеет наибольшее влияние на исследовательские публикации среди всех государственных лабораторий в мире в области физических наук и химии, согласно данным Nature Index . [9] Единственными учреждениями с более высоким рейтингом являются все национальные правительственные исследовательские агентства Китая, Франции и Италии, каждое из которых сопоставимо с полной сетью из 17 национальных лабораторий Министерства энергетики США . Используя тот же показатель, лаборатория является второй по рейтингу лабораторией в области наук о Земле и окружающей среде. [10]
Значительная часть исследовательского воздействия Berkeley Lab основана на возможностях ее уникальных исследовательских объектов. [11] Лаборатория управляет пятью национальными научными пользовательскими объектами, которые являются частью сети из 28 таких объектов, управляемых Управлением науки DOE. Эти объекты и опыт ученых и инженеров, которые ими управляют, доступны 14 000 исследователей из университетов, промышленности и государственных лабораторий. [12]
Лаборатория Беркли управляет пятью основными национальными пользовательскими центрами для Управления науки Министерства энергетики США:
Большая часть исследований в Berkeley Lab проводится исследователями из разных дисциплин и нескольких институтов, которые работают вместе как большая команда, сосредоточенная на общих научных целях. Berkeley является либо ведущим партнером, либо одним из ведущих в нескольких исследовательских институтах и центрах, включая следующие:
Cyclotron Road — это программа стипендий для технологических новаторов, поддерживающая предприимчивых ученых в продвижении их собственных технологических проектов. [29] Основная поддержка программы исходит от Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики через Программу предпринимательства, внедренную в лаборатории. [30] Berkeley Lab управляет программой в тесном партнерстве с Activate , некоммерческой организацией, созданной для масштабирования модели стипендий Cyclotron Road для большего числа новаторов по всему США и миру. [31] Стипендиаты Cyclotron Road получают двухлетнюю стипендию, 100 000 долларов США на исследовательскую поддержку, интенсивное наставничество и учебную программу для стартапов, а также доступ к экспертным знаниям и возможностям Berkeley Lab. [32] С тех пор, как члены первой группы завершили свои стипендии в 2017 году, компании, основанные Cyclotron Road Fellows, привлекли около 1 миллиарда долларов США в качестве последующего финансирования. [33]
Пятнадцать ученых из лаборатории Беркли получили Нобелевскую премию по физике или химии. [3]
Пятнадцать ученых из лаборатории Беркли получили Национальную медаль науки . [8]
В 2011 году Артур Розенфельд получил Национальную медаль в области технологий и инноваций .
Лаборатория была основана 26 августа 1931 года Эрнестом Лоуренсом как Радиационная лаборатория Калифорнийского университета в Беркли , связанная с физическим факультетом. Она сосредоточила физические исследования вокруг его нового инструмента, циклотрона , типа ускорителя частиц , за который он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1939 году. [34] На протяжении 1930-х годов Лоуренс стремился создавать все более и более крупные машины для физических исследований, привлекая частных филантропов для финансирования. Он был первым, кто создал большую команду для создания крупных проектов, чтобы сделать открытия в фундаментальных исследованиях. [35] В конце концов эти машины стали слишком большими, чтобы содержаться на территории университета, и в 1940 году лаборатория переехала на свое нынешнее место на вершине холма над кампусом. [36] В состав команды, сформированной в этот период, вошли еще два молодых ученых, которые впоследствии стали руководителями крупных лабораторий: Дж. Роберт Оппенгеймер , руководивший Лос-Аламосской лабораторией , и Роберт Уилсон , руководивший Фермилаб .
Лесли Гроувс посетил Радиационную лабораторию Лоуренса в конце 1942 года, когда он организовывал Манхэттенский проект , и впервые встретился с Дж. Робертом Оппенгеймером . Оппенгеймеру было поручено организовать усилия по разработке ядерной бомбы , и он основал сегодняшнюю Лос-Аламосскую национальную лабораторию, чтобы помочь сохранить работу в тайне. [35] В Радиационной лаборатории Лоуренс и его коллеги разработали метод электромагнитного обогащения урана , используя свой опыт работы с циклотронами. Калютроны (названные в честь университета) стали основным блоком огромного объекта Y-12 в Оук-Ридже , штат Теннесси . Лаборатория Лоуренса внесла свой вклад в то, что было признано тремя самыми ценными технологическими разработками войны (атомная бомба, бесконтактный взрыватель и радар ). Циклотрон, строительство которого было остановлено во время войны, был завершен в ноябре 1946 года. Манхэттенский проект закрыли два месяца спустя.
После войны Радиационная лаборатория стала одной из первых лабораторий, включенных в Комиссию по атомной энергии (AEC) (ныне Министерство энергетики, DOE). В 1952 году Лаборатория основала филиал в Ливерморе, сосредоточенный на работе по ядерной безопасности, который превратился в Ливерморскую национальную лабораторию имени Лоуренса . Некоторые секретные исследования продолжались в Лаборатории Беркли до 1970-х годов, когда она стала лабораторией, занимающейся только несекретными научными исследованиями. Большая часть научного руководства Лаборатории в этот период также были преподавателями кафедр физики и химии Калифорнийского университета в Беркли .
Ученые и инженеры в лаборатории Беркли продолжали строить амбициозные крупные проекты для ускорения прогресса науки. Первоначальная конструкция циклотрона Лоуренса не работала для частиц, близких к скорости света, поэтому требовался новый подход. Эдвин Макмиллан совместно с Владимиром Векслером изобрел синхротрон для решения этой проблемы. Макмиллан построил электронный синхротрон, способный ускорять электроны до 300 миллионов электрон-вольт (300 МэВ), который работал с 1948 по 1960 год. [37]
Команда ускорителей Беркли построила Беватрон , протонный синхротрон, способный разгонять протоны до энергии 6,5 гигаэлектронвольт (ГэВ), энергии, выбранной так, чтобы она была чуть выше порога для производства антипротонов. В 1955 году, в течение первого полного года работы Беватрона, физики Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен выиграли конкурс на первое наблюдение антипротонов. За это открытие они получили Нобелевскую премию по физике в 1959 году. [38] [39] Беватрон оставался ускорителем с самой высокой энергией, пока протонный синхротрон ЦЕРНа не начал ускорять протоны до 25 ГэВ в 1959 году.
Луис Альварес руководил проектированием и строительством нескольких пузырьковых камер с жидким водородом, которые использовались для открытия большого количества новых элементарных частиц с использованием пучков Беватрона. Его группа также разработала измерительные системы для записи миллионов фотографий треков частиц в пузырьковой камере и компьютерные системы для анализа данных. Альварес получил Нобелевскую премию по физике в 1968 году за открытие многих элементарных частиц с использованием этой техники. [40]
«Записки Альвареса по физике» — это набор неофициальных рабочих документов большой группы физиков, инженеров, программистов и техников под руководством Луиса В. Альвареса с начала 1950-х годов до его смерти в 1988 году. Более 1700 записок доступны в Интернете, размещены в Лаборатории. [41]
Лаборатории Беркли приписывают открытие 16 элементов периодической таблицы — больше, чем любому другому учреждению, за период с 1940 по 1974 год. [42] Американское химическое общество установило в лаборатории Национальный исторический химический памятник, чтобы увековечить это достижение. [43] Гленн Сиборг лично участвовал в открытии девяти из этих новых элементов, и он получил Нобелевскую премию по химии в 1951 году вместе с Макмилланом. [44]
Директор-основатель лаборатории Лоуренс умер в 1958 году в возрасте 57 лет. Макмиллан стал вторым директором и занимал эту должность до 1972 года.
Калифорнийский университет назначил Эндрю Сесслера директором лаборатории в 1973 году во время нефтяного кризиса 1973 года . Он основал в лаборатории Отдел энергетики и окружающей среды, впервые расширив сферу деятельности до прикладных исследований, направленных на решение энергетических и экологических проблем, с которыми сталкивалась страна. [45] Сесслер также объединился с другими физиками из Беркли, чтобы сформировать организацию под названием «Ученые за Сахарова, Орлова, Щаранского» (SOS), которая возглавила международное движение протеста, привлекающее внимание к тяжелому положению трех советских ученых, подвергавшихся преследованиям со стороны правительства СССР. [46]
Артур Розенфельд возглавил кампанию по развитию прикладных энергетических исследований в лаборатории Беркли. Он стал широко известен как отец энергоэффективности и человек, убедивший страну принять энергетические стандарты для приборов и зданий. [47] Вдохновленный нефтяным кризисом 1973 года , он начал большую командную работу, которая разработала несколько технологий, радикально повысивших энергоэффективность. К ним относятся компактные люминесцентные лампы, энергосберегающие холодильники и окна, удерживающие тепло. Он разработал первые стандарты энергоэффективности для зданий и приборов в Калифорнии, что помогло штату поддерживать постоянное потребление электроэнергии на душу населения с 1973 по 2006 год, в то время как в остальной части страны оно выросло на 50%. Это явление называется эффектом Розенфельда . [48] [49]
К 1980 году Джордж Смут создал сильную экспериментальную группу в Беркли, создав приборы для измерения космического микроволнового фона (CMB) с целью изучения ранней Вселенной. Он стал главным исследователем прибора Differential Microwave Radiometer (DMR), который был запущен в 1989 году в рамках миссии Cosmic Background Explorer (COBE). Полные карты неба, полученные DMR, позволили ученым COBE обнаружить анизотропию CMB, и Смут разделил Нобелевскую премию по физике в 2006 году с Джоном Мазером. [50] [51]
Чарльз В. Шэнк покинул Bell Labs , чтобы стать директором Berkeley Lab в 1989 году, и занимал эту должность в течение 15 лет. За время его пребывания в должности четыре из пяти национальных научных пользовательских объектов начали работу в Беркли, а пятый начал строительство. [52]
5 октября 1993 года новый усовершенствованный источник света произвел первые пучки рентгеновского света. [53] В начале 1990-х годов Дэвид Ширли предложил построить этот новый синхротронный источник, специализирующийся на визуализации материалов с использованием экстремального ультрафиолета для мягкого рентгеновского излучения. Осенью 2001 года в ходе крупной модернизации были добавлены «суперизгибы» для получения более жестких рентгеновских лучей для пучков, предназначенных для кристаллографии белков.
В 1996 году Национальный центр научных вычислений в области энергетики (NERSC) и Сеть энергетических наук (ESnet) были перемещены из Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе в их новый дом в Беркли-лаборатории. [54] Для восстановления NERSC в Беркли потребовалось переместить Cray C90 , векторный процессорный суперкомпьютер первого поколения 1991 года выпуска, и установить новый Cray T3E , модель второго поколения (1995 года выпуска). Вычислительная мощность NERSC составляла 350 Гфлоп/с, что составляет 1/200 000 скорости Перлмуттера в 2022 году. Хорст Саймон был переведен в Беркли в качестве первого директора NERSC, и вскоре он стал одним из соредакторов, которые управляли списком суперкомпьютеров Top500 , и с тех пор он занимает эту должность. [55]
Объединенный институт генома (JGI) был создан в 1997 году для объединения опыта и ресурсов в области картирования генома, секвенирования ДНК, разработки технологий и информационных наук, которые были разработаны в геномных центрах DOE в Berkeley Lab, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) и Los Alamos National Laboratory (LANL). Первоначально JGI был создан для работы над проектом «Геном человека» (HGP) и сгенерировал полные последовательности хромосом 5, 16 и 19. В 2004 году JGI зарекомендовал себя как национальный пользовательский объект, управляемый Berkeley Lab, сосредоточившись на широких геномных потребностях биологии и биотехнологии, особенно тех, которые связаны с окружающей средой и управлением углеродом. [56] [57]
Директор лаборатории Шэнк привел Дэниела Чемлу из Bell Labs в Berkeley Lab в 1991 году, чтобы тот возглавил недавно сформированное Отделение материаловедения и инженерии. В 1998 году Чемла был назначен директором Advanced Light Source, чтобы превратить его в научный пользовательский объект мирового класса. [58] В 2001 году Чемла предложил создать Molecular Foundry , чтобы сделать передовые инструменты и экспертные знания в области нанотехнологий доступными для широкого исследовательского сообщества. Пол Аливисатос был директором-основателем, а директорами-основателями объектов были Кэролин Бертоцци , Жан Фреше , Стивен Гвон Шэн Луи , Джеффри Бокор и Микель Салмерон. [59] Здание Molecular Foundry было открыто в 2006 году, Бертоцци стал директором литейного цеха, а Стивен Чу — директором лаборатории. [60]
В 1990-х годах Сол Перлмуттер руководил проектом «Космология сверхновых» (SCP), который использовал определенный тип сверхновых в качестве стандартных свечей для изучения расширения Вселенной. [61] Команда SCP стала одним из исследователей ускоряющегося расширения Вселенной, что привело к появлению концепции темной энергии — неизвестной формы энергии, которая вызывает это ускорение. За это открытие Перлмуттер получил Нобелевскую премию по физике в 2011 году. [62]
1 августа 2004 года лауреат Нобелевской премии по физике Стивен Чу был назначен шестым директором лаборатории Беркли. [63] Министерство энергетики США готовилось впервые подать заявку на контракт на управление и эксплуатацию (M&O) для лаборатории Беркли, и первой задачей Чу было возглавить команду Калифорнийского университета, которая успешно выиграла тендер на этот контракт. [64] Первоначальный срок контракта составлял с 1 июня 2005 года по 31 мая 2010 года с возможными поэтапными продлениями для достижения наилучших результатов в управлении до общего срока контракта в 20 лет. [65]
В 2007 году лаборатория Беркли запустила Объединенный институт биоэнергетики , один из трех исследовательских центров биоэнергетики, получивших финансирование от Программы геномной науки Управления биологических и экологических исследований (BER) Министерства энергетики США. [66] [67] Главным исполнительным директором JBEI является Джей Кислинг , избранный членом Национальной инженерной академии за разработку инструментов синтетической биологии, необходимых для разработки противомалярийного препарата артемизинин. Управление науки Министерства энергетики США назвало Кислинга выдающимся ученым в 2021 году за продвижение стратегии Министерства энергетики США в области возобновляемых источников энергии. [68]
15 декабря 2008 года новоизбранный президент Барак Обама выдвинул кандидатуру Стивена Чу на пост министра энергетики. [69] Калифорнийский университет выбрал заместителя директора лаборатории Пола Аливисатоса новым директором. [70] Аливисатос — химик-материаловед, получивший Национальную медаль науки за свою новаторскую работу в области разработки наноматериалов. [71] Он продолжил уделять внимание лаборатории возобновляемым источникам энергии и изменению климата. [72]
В 2010 году Министерство энергетики США создало Объединенный центр искусственного фотосинтеза (JCAP) в качестве инновационного центра в области энергетики [73] , при этом Калифорнийский технологический институт выступил в качестве ведущего учреждения, а лаборатория Беркли выступила в качестве ведущего партнера. [74] Лаборатория построила новое здание для размещения лабораторий JCAP и пространства для совместных исследований, и в 2015 году оно было названо Chu Hall. [75] [76] После десяти лет работы JCAP в 2020 году команда Беркли стала основным партнером в новом инновационном центре в области энергетики, Liquid Sunlight Alliance (LiSA), с целью создания науки, необходимой для экономичного производства жидкого топлива из солнечного света, воды, углекислого газа и азота. [77]
Лаборатория также является основным партнером второго инновационного центра в области энергетики, Объединенного центра исследований в области хранения энергии (JCESR), который был основан в 2013 году, при этом Аргоннская национальная лаборатория выступала в качестве ведущего учреждения. [73] [78] Лаборатория построила новое здание, Лабораторию общего назначения, для размещения лабораторий по хранению энергии и связанного с ней исследовательского пространства, которое министр энергетики Эрнест Мониш открыл в 2014 году. [79] Миссия JCESR заключается в предоставлении новых преобразующих концепций и материалов, которые позволят создавать разнообразные высокопроизводительные батареи следующего поколения для транспорта и сетей.
12 ноября 2015 года к директору лаборатории Полу Аливисатосу и заместителю директора Хорсту Саймону присоединились президент Калифорнийского университета Джанет Наполитано , канцлер Калифорнийского университета в Беркли Николас Диркс и руководитель программы ASCR Министерства энергетики США Барб Хелланд, чтобы открыть зал Shyh Wang Hall , объект, предназначенный для размещения суперкомпьютеров и персонала NERSC, персонала ESnet и исследовательских подразделений в области вычислительных наук. [80] Здание было спроектировано с новым сейсмостойким полом для машинного зала площадью 20 000 квадратных футов в дополнение к функциям, которые используют преимущества прибрежного климата для обеспечения энергоэффективного кондиционирования воздуха для вычислительных систем. [81] [82]
В 2015 году Пол Аливисатос объявил, что уходит с поста директора лаборатории. Он занимал две руководящие должности в Калифорнийском университете в Беркли, прежде чем стать президентом Чикагского университета в 2021 году. [83] Калифорнийский университет выбрал Майкла Уитерелла , бывшего директора Фермилаба и вице-канцлера по исследованиям Калифорнийского университета в Санта-Барбаре , восьмым директором лаборатории Беркли с 1 марта 2016 года. [84] В 2016 году лаборатория вступила в период интенсивной модернизации: беспрецедентное количество крупных проектов по обновлению существующих научных объектов и строительству новых.
Физики из лаборатории Беркли руководили созданием спектроскопического инструмента темной энергии , который предназначен для создания трехмерных карт распределения материи, охватывающих беспрецедентный объем Вселенной с непревзойденной детализацией. [85] Новый инструмент был установлен на модернизированном 4-метровом телескопе Николаса У. Мейолла в Национальной обсерватории Китт-Пик в 2019 году. Пятилетняя миссия началась в 2021 году, и карта, собранная с данными, полученными за первые семь месяцев, уже включала больше галактик, чем любое предыдущее исследование. [86]
27 сентября 2016 года Министерство энергетики одобрило необходимость миссии ALS-U, крупного проекта по модернизации усовершенствованного источника света, который включает в себя создание нового накопительного кольца и накопительного кольца. [87] Горизонтальный размер электронного пучка в ALS сократится со 100 микрометров до нескольких микрометров, что улучшит возможность получения изображений новых материалов, необходимых для батарей и электроники следующего поколения. Общая стоимость проекта составляет 590 миллионов долларов, это крупнейший строительный проект в лаборатории с момента строительства ALS в 1993 году. [88]
Вскоре после смерти Лоуренса в августе 1958 года Радиационная лаборатория Калифорнийского университета (UCRL), включая площадки в Беркли и Ливерморе, была переименована в Радиационную лабораторию Лоуренса. [89] В 1971 году Беркли стала называться Лабораторией Лоуренса в Беркли, [90] [91] хотя многие продолжали называть ее RadLab. Постепенно в обиход вошла еще одна сокращенная форма — LBL. Ее официальное название было изменено на Национальная лаборатория имени Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли в 1995 году, когда к названиям всех лабораторий DOE добавили слово «National». Позднее «Эрнест Орландо» было опущено, чтобы сократить название. Сегодня лаборатория обычно называется Лабораторией Беркли. [92]
Калифорнийский университет управляет Национальной лабораторией Лоуренса в Беркли по контракту с Министерством энергетики. Участок состоит из 76 зданий (принадлежащих Министерству энергетики США ), расположенных на 200 акрах (0,81 км2 ) , принадлежащих университету в Беркли-Хиллз. Всего в лаборатории работают 3663 сотрудника UC, из которых около 800 являются студентами или постдоками, и каждый год она принимает более 3000 приглашенных ученых-участников. В лаборатории размещено около двух десятков сотрудников DOE, которые обеспечивают федеральный надзор за работой Berkeley Lab для DOE. Директор лаборатории Майкл Уитерелл назначается регентами университета и подчиняется президенту университета. Хотя Berkeley Lab управляется UC независимо от кампуса Беркли, эти два субъекта тесно взаимосвязаны: [93] более 200 исследователей Berkeley Lab занимают совместные должности в качестве преподавателей UC Berkeley.
Бюджет лаборатории в 2023 финансовом году составил 1,495 млрд долларов США, тогда как общие обязательства составили 1,395 млрд долларов США. [1]