Национальная лаборатория Лоуренса Беркли ( LBNL ) – финансируемый из федерального бюджета центр исследований и разработок, расположенный на холмах Беркли , Калифорния , США . Лаборатория , основанная в 1931 году Калифорнийским университетом (UC), 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 на холмах Беркли , лаборатория выходит на кампус Калифорнийского университета в Беркли .
Миссия лаборатории Беркли — предлагать миру научные решения. Исследования в лаборатории Беркли посвящены четырем основным темам: наука-открытие, чистая энергия, здоровая земля и экологические системы, а также 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 коллективами людей из разных областей знаний, работающих вместе, и его лаборатория до сих пор считает это руководящим принципом. [7]
Ученые лаборатории Беркли выиграли пятнадцать Нобелевских премий по физике и химии, и в честь каждой из них в кампусе лаборатории названа улица. [3] 23 сотрудника лаборатории Беркли участвовали в подготовке докладов Межправительственной группы ООН по изменению климата, получившей Нобелевскую премию мира . Пятнадцать ученых лаборатории также выиграли Национальную медаль науки , а один - Национальную медаль технологий и инноваций . [8] 82 исследователя Лаборатории Беркли были избраны членами Национальной академии наук или Национальной инженерной академии . [2]
Лаборатория Беркли оказывает наибольшее влияние на научные 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 целые национальные правительственные исследовательские агентства Китая, Франции и Италии, каждое из которых сопоставимо с полной сетью из 17 национальных лабораторий Министерства энергетики США . По тем же показателям лаборатория является второй по рейтингу лабораторией в области наук о Земле и окружающей среде. [10]
Большая часть исследовательского воздействия лаборатории Беркли основана на возможностях ее уникальных исследовательских центров. [11] Лаборатория управляет пятью национальными научными объектами, которые являются частью сети из 28 таких объектов, находящихся в ведении Управления науки Министерства энергетики США. 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 объектами Управления науки Министерства энергетики США:
Большая часть исследований в лаборатории Беркли проводится исследователями из нескольких дисциплин и различных учреждений, работающих вместе как большая команда, ориентированная на общие научные цели. Беркли является либо ведущим партнером, либо одним из руководителей нескольких исследовательских институтов и центров, в том числе следующих:
Cyclotron Road — это программа стипендий для технологических новаторов, поддерживающая ученых-предпринимателей в продвижении ими собственных технологических проектов. [29] Основная поддержка программы осуществляется Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики в рамках Программы встроенного в лаборатории предпринимательства. [30] Лаборатория Беркли управляет программой в тесном сотрудничестве с Activate , некоммерческой организацией, созданной для распространения модели стипендий Cyclotron Road на большее количество новаторов в США и мире. [31] Стипендиаты Cyclotron Road получают двухлетнюю стипендию, 100 000 долларов исследовательской поддержки, интенсивное наставничество и учебную программу для стартапов, а также доступ к опыту и возможностям лаборатории Беркли. [32] С тех пор, как члены первой группы завершили свою стипендию в 2017 году, компании, основанные Cyclotron Road Fellows, привлекли около 1 миллиарда долларов в виде последующего финансирования. [33]
Пятнадцать ученых Лаборатории Беркли получили Нобелевскую премию по физике и химии. [3]
Пятнадцать ученых Лаборатории Беркли получили Национальную медаль науки . [8]
Артур Розенфельд получил Национальную медаль технологий и инноваций в 2011 году.
Лаборатория была основана 26 августа 1931 года Эрнестом Лоуренсом как Радиационная лаборатория Калифорнийского университета в Беркли , связанная с физическим факультетом. Он сосредоточил физические исследования вокруг своего нового прибора, 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, частные благотворители для финансирования. Он был первым, кто собрал большую команду для реализации крупных проектов по совершению открытий в области фундаментальных исследований. [35] В конце концов эти машины стали слишком большими, чтобы их можно было разместить на территории университета, и в 1940 году лаборатория переехала на свое нынешнее место на вершине холма над кампусом. [36] В состав команды, собранной в этот период, входят еще двое молодых ученых, которые впоследствии руководили крупными лабораториями: Дж. Роберт Оппенгеймер , руководивший лабораторией Лос-Аламоса , и Роберт Уилсон , руководивший Фермилабом .
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 разработку ядерной бомбы , и он основал сегодняшнюю Лос-Аламосскую национальную лабораторию , чтобы сохранить работу в секрете. [35] В RadLab Лоуренс и его коллеги разработали метод электромагнитного обогащения урана , используя свой опыт работы с циклотронами. Калутроны (названные в честь университета) стали основной единицей огромного объекта Y-12 в Ок-Ридже , штат Теннесси . Лаборатория Лоуренса внесла свой вклад в создание трех наиболее ценных технологических разработок войны (атомная бомба, неконтактный взрыватель и радар ). Циклотрон, строительство которого застопорилось во время войны, был завершен в ноябре 1946 года. Два месяца спустя Манхэттенский проект закрылся.
После войны Радиационная лаборатория стала одной из первых лабораторий, вошедших в состав Комиссии по атомной энергии (AEC) (ныне Министерство энергетики, DOE). В 1952 году лаборатория открыла филиал в Ливерморе, занимающийся вопросами 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 была преподавателями факультетов физики и химии Калифорнийского университета в Беркли .
Ученые и инженеры лаборатории Беркли продолжали реализовывать амбициозные крупные проекты, направленные на ускорение развития науки. Первоначальная конструкция циклотрона Лоуренса не работала для частиц со скоростью, близкой к скорости света, поэтому требовался новый подход. Эдвин Макмиллан вместе с Владимиром Векслером изобрел синхротрон , чтобы решить эту проблему. Макмиллан построил электронный синхротрон, способный ускорять электроны до 300 миллионов электронвольт (300 МэВ), который работал с 1948 по 1960 год. [37]
Команда ускорителя из Беркли построила Беватрон , протонный синхротрон, способный ускорять протоны до энергии 6,5 гигаэлектронвольт (ГэВ), энергии, выбранной так, чтобы она была чуть выше порога для образования 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 до тех пор, пока в 1959 году протонный синхротрон ЦЕРН не начал ускорять протоны до 25 ГэВ.
Луис Альварес руководил проектированием и строительством нескольких пузырьковых камер с жидким водородом, которые использовались для открытия большого количества новых элементарных частиц с помощью лучей Беватрона. Его группа также разработала измерительные системы для записи миллионов фотографий следов частиц в пузырьковой камере и компьютерные системы для анализа данных. Альварес получил Нобелевскую премию по физике в 1968 году за открытие с помощью этого метода многих элементарных частиц. [40]
«Физические записки Альвареса» представляют собой набор неофициальных рабочих документов большой группы физиков, инженеров, программистов и техников, возглавляемых Луисом В. Альваресом с начала 1950-х годов до его смерти в 1988 году. В Интернете доступно более 1700 записок. на базе Лаборатории. [41]
Лаборатории Беркли приписывают открытие 16 элементов в таблице Менделеева, 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 вместе с Макмилланом получил Нобелевскую премию по химии в 1951 году. [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 прикладных исследований, направленных на решение энергетических и экологических проблем, с которыми столкнулась страна. [45] Сесслер также присоединился к другим физикам из Беркли, чтобы сформировать организацию под названием «Учёные за Сахарова, Орлова, Щаранского» (SOS), которая возглавила международное движение протеста, привлекающее внимание к тяжелому положению трёх советских учёных, преследуемых правительством СССР. [46]
Артур Розенфельд возглавил кампанию по развитию прикладных энергетических исследований в лаборатории Беркли. Он стал широко известен как отец энергоэффективности и человек, который убедил нацию принять энергетические стандарты для приборов и зданий. [47] Вдохновленный нефтяным кризисом 1973 года , он организовал большую групповую работу, которая разработала несколько технологий, которые радикально повысили энергоэффективность. К ним относятся компактные люминесцентные лампы, энергосберегающие холодильники и окна, удерживающие тепло. Он разработал первые стандарты энергоэффективности для зданий и бытовой техники в Калифорнии, которые помогли 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 собрал в Беркли сильную экспериментальную группу, занимавшуюся созданием приборов для измерения космического микроволнового фона (CMB) с целью изучения ранней Вселенной. Он стал главным исследователем прибора Дифференциальный микроволновый радиометр (ДМР), который был запущен в 1989 году в рамках миссии «Исследователь космического фона» (COBE). Полные карты неба, полученные с помощью DMR, позволили ученым COBE обнаружить анизотропию реликтового излучения, а Смут разделил Нобелевскую премию по физике в 2006 году с Джоном Мэзером. [50] [51]
Чарльз В. Шэнк покинул Bell Labs и стал директором лаборатории Беркли в 1989 году, и занимал эту должность 15 лет. За время его пребывания в должности четыре из пяти национальных научных объектов начали работу в Беркли, а пятый начал строительство. [52]
5 октября 1993 года новый усовершенствованный источник света произвел первые лучи рентгеновского света. [53] Дэвид Ширли предложил в начале 1990-х годов создать этот новый синхротронный источник, специализирующийся на визуализации материалов, использующих от крайнего ультрафиолета до мягкого рентгеновского излучения. Осенью 2001 года в ходе крупной модернизации были добавлены «суперизгибы» для получения более жестких рентгеновских лучей для линий, предназначенных для кристаллографии белков.
В 1996 году Национальный научно-вычислительный центр энергетических исследований (NERSC) и Сеть энергетических наук (ESnet) были переведены из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в свой новый дом в лаборатории Беркли. [54] Чтобы восстановить NERSC в Беркли, потребовалось переместить Cray C90 , суперкомпьютер с векторным процессором первого поколения, выпущенный в 1991 году, и установить новый Cray T3E , модель второго поколения (1995 года). Вычислительная мощность NERSC составляла 350 GFlop/s, что составляет 1/200 000 скорости Perlmutter в 2022 году. Хорста Саймона пригласили в Беркли в качестве первого директора NERSC, и вскоре он стал одним из соредакторов, которые управляли списком Top500 суперкомпьютеры, 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 Министерства энергетики США в лаборатории Беркли, Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) и Лос-Аламосская национальная лаборатория (LANL). Первоначально JGI был создан для работы над проектом «Геном человека» (HGP) и генерировал полные последовательности хромосом 5, 16 и 19. В 2004 году JGI зарекомендовал себя как национальный пользовательский центр, управляемый лабораторией Беркли, специализирующийся на широком спектре исследований. геномные потребности биологии и биотехнологии, особенно те, которые связаны с окружающей средой и управлением выбросами углерода. [56] [57]
Директор лаборатории Шанк перевел Дэниела Чемлу из Bell Labs в лабораторию Беркли в 1991 году, чтобы он возглавил недавно созданный отдел материаловедения и инженерии. В 1998 году Чемла был назначен директором Advanced Light Source, чтобы превратить его в научно-исследовательский центр мирового класса. [58] В 2001 году Чемла предложил создать Молекулярную литейную мастерскую , чтобы сделать передовые инструменты и опыт в области нанотехнологий доступными широкому исследовательскому сообществу. Пол Аливисатос в качестве директора-основателя, а директорами-основателями объектов были Кэролин Бертоцци , Жан Фреше , Стивен Гвон Шэн Луи , Джеффри Бокор и Микель Салмерон. [59] Здание молекулярного литейного завода было открыто в 2006 году, Бертоцци был директором литейного завода, 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 совместно открыла ускоряющееся расширение 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 впервые готовилось конкурировать за контракт на управление и эксплуатацию (M&O) для лаборатории Беркли, и первой задачей Чу было возглавить команду Калифорнийского университета, которая успешно подала заявку на этот контракт. [64] Первоначальный срок действия контракта длился с 1 июня 2005 г. по 31 мая 2010 г. с возможным поэтапным продлением в целях повышения эффективности управления до общего срока контракта в 20 лет. [65]
В 2007 году лаборатория Беркли открыла Объединенный институт биоэнергетики , один из трех центров биоэнергетических исследований, получивших финансирование от Программы геномных наук Управления биологических и экологических исследований (BER) Министерства энергетики США. [66] [67] Главным исполнительным директором JBEI является Джей Кислинг , который был избран членом Национальной инженерной академии за разработку инструментов синтетической биологии, необходимых для разработки противомалярийного препарата артемизинина. В 2021 году Управление науки Министерства энергетики назвало Кислинга заслуженным научным сотрудником за продвижение стратегии Министерства энергетики в области возобновляемых источников энергии. [68]
15 декабря 2008 года новоизбранный президент Барак Обама назначил Стивена Чу министром энергетики. [69] Калифорнийский университет выбрал заместителя директора лаборатории Пола Аливисатоса новым директором. [70] Аливисатос — химик-материаловед, получивший Национальную медаль науки за новаторскую работу в области разработки наноматериалов. [71] Он продолжил работу лаборатории по возобновляемым источникам энергии и изменению климата. [72]
В 2010 году Министерство энергетики учредило Объединенный центр искусственного фотосинтеза (JCAP) в качестве центра энергетических инноваций [73] с Калифорнийским технологическим институтом в качестве ведущего учреждения и лабораторией Беркли в качестве ведущего партнера. [74] Лаборатория построила новый объект для размещения лабораторий JCAP и пространства для совместных исследований, и в 2015 году он был переименован в Чу Холл. [75] [76] После того, как JCAP проработал десять лет, в 2020 году команда Беркли стала крупным партнер нового Центра энергетических инноваций, 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 Центра энергетических инноваций — Объединенного центра исследований в области хранения энергии (JCESR), который был открыт в 2013 году, а ведущим учреждением является Аргоннская национальная лаборатория . [73] [78] Лаборатория построила новый объект, Лабораторию общего назначения, для размещения лабораторий по хранению энергии и связанных с ними исследовательских помещений, который министр энергетики Эрнест Мониш открыл в 2014 году. [79] Миссия JCESR заключается в создании революционных новых технологий. концепции и материалы, которые позволят создать разнообразие высокопроизводительных аккумуляторов нового 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 глава программы ASCR Министерства энергетики США Барб Хелланд, чтобы открыть зал Шай Ванг Холл , спроектированный для размещения суперкомпьютеров и сотрудников NERSC, сотрудников ESnet и исследовательских подразделений в области компьютерных наук. [80] Здание было спроектировано с новым сейсмическим 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 должности директора лаборатории. Он занимал две руководящие должности в Калифорнийском университете в Беркли, прежде чем стать президентом Чикагского университета в 2021 году. Калифорнийский университет выбрал Майкла Уизерелла , бывшего директора Фермилаборатории и вице-канцлера по исследованиям Калифорнийского университета . В 2016 году лаборатория вступила в период интенсивной модернизации: беспрецедентное количество крупных проектов по модернизации существующих научных объектов и строительству новых.
Физики Лаборатории Беркли возглавили создание Спектроскопического прибора темной энергии , который предназначен для создания трехмерных карт распределения материи, охватывающих беспрецедентный объем Вселенной с беспрецедентной детализацией. [85] Новый инструмент был установлен на модернизированном 4-метровом телескопе Николаса У. Мэйолла в Национальной обсерватории Китт-Пик в 2019 году. Пятилетняя миссия началась в 2021 году, и карта, составленная на основе данных, полученных за первые семь месяцев, уже включала больше галактик, чем в любом предыдущем исследовании. [86]
27 сентября 2016 года Министерство энергетики одобрило необходимость миссии ALS-U, крупного проекта по модернизации усовершенствованного источника света, который включает в себя строительство нового накопительного кольца и аккумуляторного кольца. [87] Горизонтальный размер электронного луча при БАС уменьшится со 100 микрометров до нескольких микрометров, что улучшит способность изображения новых материалов, необходимых для батарей и электроники следующего поколения. При общей стоимости проекта в 590 миллионов долларов это крупнейший строительный проект лаборатории с момента постройки ALS в 1993 году. [88]
Вскоре после смерти Лоуренса в августе 1958 года Радиационная лаборатория Калифорнийского университета, включая базы в Беркли и Ливерморе, была переименована в Радиационную лабораторию Лоуренса. В 1971 году это место в Беркли стало Лабораторией Лоуренса Беркли, [89] [90] , хотя многие продолжали называть ее Рад-лабораторией. Постепенно в обиход вошла еще одна сокращенная форма — LBL. Его официальное название было изменено на «Национальная лаборатория Эрнеста Орландо Лоуренса в Беркли» в 1995 году, когда к названиям всех лабораторий Министерства энергетики было добавлено слово «Национальный». Позже от имени «Эрнест Орландо» отказались, чтобы сократить имя. Сегодня лабораторию обычно называют Лабораторией Беркли. [91]
Калифорнийский университет управляет Национальной лабораторией Лоуренса Беркли по контракту с Министерством энергетики. Участок состоит из 76 зданий (принадлежащих Министерству энергетики США ), расположенных на 200 акрах (0,81 км 2 ), принадлежащих университету в Беркли-Хиллз. В общей сложности в лаборатории работают 3663 сотрудника Калифорнийского университета, из которых около 800 являются студентами или постдоками, и каждый год она принимает более 3000 приглашенных ученых. В лаборатории работают около двух десятков сотрудников Министерства энергетики, которые обеспечивают федеральный надзор за работой лаборатории Беркли для Министерства энергетики. Директор лаборатории Майкл Уизерелл назначается регентом университета и подчиняется президенту университета. Хотя Лаборатория Беркли управляется Калифорнийским университетом независимо от кампуса Беркли, эти две организации тесно взаимосвязаны: [92] более 200 исследователей Лаборатории Беркли занимают совместные должности в качестве преподавателей Калифорнийского университета в Беркли.
Бюджет лаборатории в 2022 финансовом году составил 1,17 миллиарда долларов, а общие обязательства — 1,45 миллиарда долларов. [1]