Superfluidity: den mystiske kvanteeffekt, der blev en rygrad i eksperimentel fysik – Physics World

Superfluidity: den mystiske kvanteeffekt, der blev en rygrad i eksperimentel fysik – Physics World

Tidsstempel: 14. februar 2024 kl. 6:00

Hamish Johnston anmeldelser Superfluid: Hvordan en kvantevæske revolutionerede moderne videnskab af John Weisend

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-caption="Super mærkeligt Mange af helium II's egenskaber, herunder dets ekstraordinære termiske ledningsevne, kan beskrives ved hjælp af en to-væske model. (Med høflighed: iStock/3quarks)"> Kunstnerens indtryk af en supervæske
Super mærkeligt Mange af helium II's egenskaber, herunder dets ekstraordinære termiske ledningsevne, kan beskrives ved hjælp af en to-væske model. (Med høflighed: iStock/3quarks)

Kvantemekanikkens virkninger er overalt omkring os, men stoffets kvanteegenskaber er generelt kun synlige på mikroskopisk niveau. Superflydende helium er en undtagelse, og nogle af dets bizarre egenskaber kan ses med det blotte øje. Som John Weisend – en ingeniør ved European Spallation Source , Lunds Universitet – forklarer i sin bog superflydende, har disse egenskaber gjort dette mærkelige stof til en væsentlig komponent i mange banebrydende teknologier. Langt fra at være en videnskabelig kuriosum, bruges superflydende helium i dag af forskere og ingeniører i flere tons mængder.

I sin bog, som jeg nød at læse, udforsker Weisend, hvordan superflydende helium har spillet en vigtig rolle i nogle af de vigtigste videnskabelige gennembrud i de sidste 100 år. Disse omfatter opdagelserne af Higgs-bosonen kl CERN og inhomogeniteterne i den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling - som begge førte til fysik Nobelpriser.

Mens superflydende er rettet mod ikke-fysikeren, fandt jeg ud af, at der var meget, der interesserede mig som en med en baggrund inden for kondenseret stoffysik. Weisend går faktisk langt ud over fysikken og giver en klar og kortfattet beskrivelse af, hvordan superflydende helium bruges af ingeniører i videnskabelige eksperimenter. Bogen er illustreret med originale tekniske tegninger, hvilket giver den et varmt og historisk præg.

Flydende helium og fødslen af ​​kryogenics

De mærkelige egenskaber ved superfluid helium-4 (også kendt som flydende helium II) opstår på grund af kvantereglerne, der styrer symmetrien af ​​heliumatomernes bølgefunktioner. Elektroner, som er fermioner, kan ikke indtage den samme kvantetilstand, men det samme gælder ikke for helium-4-atomer. Når de er afkølet til under ca. 2 K, kan et stort antal af atomerne optage den laveste energi (jord) tilstand.

Når dette sker, danner atomerne en superfluid. Supervæsker kan strømme op ad bakke og gennem meget små åbninger, de leder varme meget effektivt og vil ikke koge som konventionelle væsker. Weisend forklarer, at disse egenskaber gør helium II ekstremt nyttigt til at køle ting til meget lave temperaturer.

Bogen er illustreret med originale tekniske tegninger, hvilket giver den et varmt og historisk præg

superflydende begynder i slutningen af ​​det 19. århundrede med kapløbet om at gøre gasser som ilt, nitrogen og brint flydende – en race, der skabte det moderne felt inden for kryogenik. Helium viste sig at være en udfordring, fordi dets kogetemperatur på 4.2 K er meget lavere end andre gasser. Desuden var helium først isoleret på Jorden i 1895 og var en mangelvare indtil 1903, hvor det blev fundet i naturgas.

Men et gennembrud kom i 1908, da den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes blev den første til at gøre helium flydende. Onnes brugte derefter sine resultater til at køle forskellige materialer og måle deres egenskaber, hvilket førte til hans opdagelse af superledning i 1911. Han modtog Nobelprisen i fysik i 1913 for sit arbejde med kryogenik.

Antydninger af superfluiditet kan være blevet opdaget af Onnes, da han så tegn på en faseovergang i flydende helium, da stoffet afkøles. Men på trods af denne indledende eksperimentelle succes forblev det vanskeligt at gøre helium flydende indtil et godt stykke ind i 1930'erne, hvor superfluid egenskaben nul viskositet første gang blev målt. Dette blev gjort af både den sovjetiske fysiker Piotr Kapitza og uafhængigt af de canadiske forskere Jack Allen og Don Misener. I et træk, der ikke er blevet tilgivet af nogle canadiske fysikere, inklusive denne anmelder, blev kun Kapitza tildelt 1978 Nobelprisen i fysik for opdagelsen.

Et af de mest fascinerende aspekter af helium II er, at mange af dets unikke og nyttige egenskaber kan forstås ved hjælp af en relativt simpel model, der beskriver det som at have superflydende og normalt flydende komponenter. Denne to-væske model blev udviklet i slutningen af ​​1930'erne af tyskfødte Fritz London og ungarske Laszlo Tisza, og den er bemærkelsesværdig god til at forklare, hvordan varme og masse overføres af helium II – og Weisend gør også et godt stykke arbejde med at beskrive de to. -flydende model i sin bog.

Den fuldstændige kvantemekaniske beskrivelse af helium II blev udviklet af den sovjetiske teoretiske fysiker Lev Landau i 1941, som han modtog en Nobelpris for i 1962. Weisend beskriver teorien som svær at forstå og forsøger klogt nok ikke en dybdegående forklaring i sin bog.

Bliver kølig

Mens fysikere havde en god forståelse af helium II i 1940'erne, var det først i 1960'erne, da stoffets unikke egenskaber begyndte at blive udnyttet af videnskabsmænd og ingeniører - og Weisend bruger meget af superflydende til disse applikationer. Han forklarer, at de to mest nyttige egenskaber ved helium II er dens meget lave temperatur og dens meget høje varmeledning, hvor sidstnævnte skyldes et unikt fænomen kaldet "intern konvektion".

Når helium II er i en temperaturgradient, bevæger den normale komponent af væsken sig væk fra det varme område, mens den superfluidiske komponent bevæger sig mod det. Weisend forklarer, at denne proces gør helium II til en utrolig termisk leder - den er næsten 1000 gange mere effektiv end kobber til at fjerne varme. En anden fordel ved intern konvektion er, at varmen transporteres så hurtigt, at der ikke kan dannes bobler i helium II, når det opvarmes, så der er ingen fare for eksplosiv kogning.

På trods af dets mærkelige kvanteegenskaber flyder helium II gennem store rør ligesom en normal væske, så det er relativt ligetil at håndtere. Den superflydende komponent kan dog meget let passere gennem bittesmå porer, hvorimod den normale væske ikke kan. Resultatet er "springvandseffekten", som kan bruges til at pumpe helium II uden nogen mekaniske midler.

Resultatet er, at helium II meget effektivt kan afkøle en lang række materialer til temperaturer, hvorved de bliver superledende. Superledere kan føre store elektriske strømme uden at blive varmet op, og Weisend ser på to meget frugtbare anvendelser af helium II-kølede superledere i sin bog.

Fra undergrunden til det ydre rum

Den første, der dukkede op, var den superledende radiofrekvens (SRF) hulrum, som blev udviklet i 1960'erne for at accelerere ladede partikler. Et SRF-hulrum er i det væsentlige et kammer i et superledende rør, der resonerer med et RF-signal. Når RF-energi pumpes ind i hulrummet, dannes et enormt oscillerende elektrisk felt langs røret. Hvis en ladet partikel indføres i hulrummet på det helt rigtige tidspunkt, vil den blive accelereret. Når flere forskellige hulrum er forbundet, kan der faktisk opnås meget høje accelerationer.

Helium II kan meget effektivt afkøle en lang række materialer til temperaturer, hvorved de bliver superledende

Weisend forklarer, hvordan pionerarbejdet med SRF'er blev udført kl Stanford University i USA, hvor Stanford Superconducting Accelerator blev bygget i 1960'erne. Bogen beskriver også, hvordan videnskabsmænd i 1980'erne byggede Kontinuerlig elektronstråleacceleratorfacilitet (CEBAF) i USA undgik et accelerationsskema ved stuetemperatur og tog en chance med helium II-kølede SRF'er. I 1990'erne blev Tera Electron Volt Energy Superledende Lineær Accelerator (TESLA) projekt hos DESY i Tyskland førte til udviklingen af ​​SRF'er til en International Linear Collider (ILC), som kunne blive en efterfølger til Large Hadron Collider (LHC).

I mellemtiden har mange andre laboratorier taget helium II-afkølede SRF'er, inklusive CERN. Ud over at køle SRF'er på CERN, køles LHC's magneter ved hjælp af helium II. Weisend påpeger, at magnetkølingsteknologien, der blev brugt på CERN og andre laboratorier, var banebrydende til en meget anderledes anvendelse, søgen efter at skabe kernefusion i et magnetisk indesluttet brintplasma. Dette blev gjort hos Tore Supra, som var en fransk tokamak, der fungerede fra 1988 til 2010 og siden er blevet opgraderet og omdøbt WEST. Tokamak er placeret ved Cadarache, hvor ITER-fusionskraftdemonstratoren i øjeblikket bygges med magneter, der vil blive afkølet af normalt flydende helium i stedet for helium II.

En anden superflydende ingeniørkunst, som Weisend dækker i detaljer, er Infrarød astronomisk satellit (IRAS), som blev opsendt i 1983 og var den første betydelige brug af helium II i rummet. Weisend forklarer, hvordan IRAS-designere overvandt betydelige udfordringer, herunder at udvikle en måde at udlufte heliumdamp, når den blandes med væskeklatter i et miljø med lav tyngdekraft.

IRAS opretholdt superfluid afkøling i 300 dage, mens de opdagede mange infrarøde objekter. Dens succes inspirerede fremtidige missioner, der brugte helium II, inklusive Cosmic Background Explorer (COBE). Dette blev lanceret i 1989 og førte til, at George Smoot og John Mather blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2006 for at opdage anisotropien af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrund.

Udover at se på fortiden og nutiden af ​​helium II, superflydende ser på fremtiden. Weisend påpeger, at helium II's æra i rummet formentlig er forbi på grund af udviklingen af ​​mekaniske kølere, der kan nå meget lave temperaturer. Han kommer også kort ind på den anden heliumsuperfluid, helium-3, og hvordan den kan bruges sammen med helium II til at køle ting ned til meget lave temperaturer i et fortyndingskøleskab.

Selvom vi måske ikke sender superfluider ud i rummet længere, gør Weisend det klart, at der er mange fremtidige applikationer her på Jorden. Helium II-kølede fusionskraftværker kan faktisk hjælpe med at dekarbonisere økonomien, og næste generations acceleratorer kan snart give os et syn på fysik ud over standardmodellen.

  • 2023 Springer 150 sider $29.99pb

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden