Superfluidity: Salaperäinen kvanttiefekti, josta tuli kokeellisen fysiikan selkäranka

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Hamish Johnston arvostelua Superfluidi: Kuinka kvanttifluidi mullisti modernin tieteen Kirjailija: John Weisend

Taiteilijan mielikuva supernesteestä — **Super outoa** Monet helium II:n ominaisuudet, mukaan lukien sen poikkeuksellinen lämmönjohtavuus, voidaan kuvata käyttämällä kahden nesteen mallia. (Kohtelias: iStock/3quarks)

Kvanttimekaniikan vaikutukset ovat kaikkialla ympärillämme, mutta aineen kvanttiominaisuudet näkyvät yleensä vain mikroskooppisella tasolla. Superfluid helium on poikkeus, ja jotkut sen omituisista ominaisuuksista voidaan nähdä paljaalla silmällä. Kuten John Weisend – insinööri yrityksessä European Spallation Source ja Lundin yliopisto - selittää kirjassaan supraneste, nämä ominaisuudet ovat tehneet tästä omituisesta aineesta olennaisen osan monissa huipputeknologioissa. Tutkijat ja insinöörit käyttävät nykyään supernesteistä heliumia usean tonnin määrinä, mikä ei suinkaan ole tieteellinen uteliaisuus.

Kirjassaan, jota luin mielelläni, Weisend tutkii kuinka supernesteisellä heliumilla on ollut tärkeä rooli joissakin viimeisten 100 vuoden tärkeimmistä tieteellisistä läpimurroista. Näitä ovat Higgsin bosonin löydöt klo CERN ja kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn epähomogeenisuus – jotka molemmat johtivat fysiikan Nobel-palkintoihin.

Vaikka supraneste on suunnattu ei-fyysikolle, huomasin, että tiivistetyn aineen fysiikan taustalla on paljon kiinnostavaa. Itse asiassa Weisend menee paljon fysiikan pidemmälle ja tarjoaa selkeän ja ytimekän kuvauksen siitä, kuinka insinöörit käyttävät supernestettä heliumia tieteellisissä kokeissa. Kirja on kuvitettu alkuperäisillä teknisillä piirustuksilla, mikä antaa sille lämpimän ja historiallisen tunnelman.

Nestemäinen helium ja kryogeniikan synty

Superfluidin helium-4:n (tunnetaan myös nimellä nestemäinen helium II) omituiset ominaisuudet johtuvat heliumatomien aaltofunktioiden symmetriaa säätelevistä kvanttisäännöistä. Elektronit, jotka ovat fermioneja, eivät voi olla samassa kvanttitilassa, mutta sama ei päde helium-4-atomeille. Jäähdytettynä alle noin 2 K:n lämpötilaan suuri määrä atomeja voi olla alhaisimman energian (maa) tilassa.

Kun näin tapahtuu, atomit muodostavat supernesteen. Supernesteet voivat virrata ylämäkeen ja hyvin pienistä aukoista, ne johtavat lämpöä erittäin tehokkaasti eivätkä kiehu kuten perinteiset nesteet. Weisend selittää, että nämä ominaisuudet tekevät helium II:sta erittäin hyödyllisen jäähdyttämään asioita erittäin alhaisiin lämpötiloihin.

Kirja on kuvitettu alkuperäisillä teknisillä piirustuksilla, mikä antaa sille lämpimän ja historiallisen tunnelman

supraneste alkaa 19-luvun lopulla kilpalla nesteyttää kaasuja, kuten happea, typpeä ja vetyä – kilpailu, joka loi modernin kryogeniikan alan. Helium osoittautui haasteeksi, koska sen kiehumislämpötila 4.2 K on paljon alhaisempi kuin muiden kaasujen. Lisäksi helium eristettiin maapallolla vasta vuonna 1895, ja siitä oli pulaa vuoteen 1903 asti, jolloin sitä löydettiin maakaasusta.

Mutta läpimurto tapahtui vuonna 1908, kun hollantilainen fyysikko Heike Kamerlingh Onnes nesteytti heliumin ensimmäisenä. Onnes käytti löytöitään jäähdyttämään erilaisia materiaaleja ja mittaamaan niiden ominaisuuksia, mikä johti hänen suprajohtavuuteensa löytymiseen vuonna 1911. Hän voitti vuoden 1913 fysiikan Nobelin työstään kryogeniikassa.

loistava ajattelija, jolla on rikki pää metallirunkoisen monikulmion tyyliin

Thomas Kuhn: uusia näkemyksiä vallankumouksellisesta tiedefilosofista

Onnes saattoi havaita superfluiditeetin vihjeitä, kun hän näki todisteita faasimuutoksesta nestemäisessä heliumissa aineen jäähtyessä. Mutta tästä alkuperäisestä kokeellisesta menestyksestä huolimatta heliumin nesteyttäminen oli vaikeaa aina 1930-luvulle saakka, jolloin mitattiin ensimmäisen kerran superfluidin ominaisuus nollaviskositeetti. Tämän tekivät sekä Neuvostoliiton fyysikko Piotr Kapitza että itsenäisesti kanadalaiset tutkijat Jack Allen ja Don Misener. Liikkeessä, jota jotkut kanadalaiset fyysikot, mukaan lukien tämä arvioija, eivät ole antaneet anteeksi, vain Kapitza sai vuoden 1978 fysiikan Nobel-palkinnon löydöstä.

Yksi helium II:n kiehtovimmista puolista on, että monet sen ainutlaatuisista ja hyödyllisistä ominaisuuksista voidaan ymmärtää käyttämällä suhteellisen yksinkertaista mallia, joka kuvaa sen sisältävän superneste- ja normaalinestekomponentteja. Tämän kahden nesteen mallin kehittivät 1930-luvun lopulla saksalaissyntyinen Fritz London ja unkarilainen Laszlo Tisza, ja se on erittäin hyvä selittämään, kuinka helium II siirtää lämpöä ja massaa – ja Weisend tekee myös hienoa työtä kuvaillessaan näitä kahta. -nestemalli kirjassaan.

Neuvostoliiton teoreettinen fyysikko Lev Landau kehitti täydellisen kvanttimekaanisen kuvauksen helium II:sta vuonna 1941, josta hän sai Nobel-palkinnon vuonna 1962. Weisend kuvailee teoriaa vaikeasti ymmärrettäväksi, eikä hän viisaasti yritä selittää syvällistä selitystä. hänen kirjassaan.

Pidä viileänä

Vaikka fyysikot ymmärsivät helium II:n hyvin 1940-luvulla, vasta 1960-luvulla tiedemiehet ja insinöörit alkoivat hyödyntää aineen ainutlaatuisia ominaisuuksia – ja Weisend omistaa paljon supraneste näihin sovelluksiin. Hän selittää, että helium II:n kaksi hyödyllisintä ominaisuutta ovat sen erittäin alhainen lämpötila ja erittäin korkea lämmönjohtavuus, jälkimmäinen johtuu ainutlaatuisesta ilmiöstä, jota kutsutaan "sisäiseksi konvektioksi".

Kun helium II on lämpötilagradientissa, nesteen normaalikomponentti siirtyy pois kuumalta alueelta, kun taas supernestekomponentti liikkuu sitä kohti. Weisend selittää, että tämä prosessi tekee helium II:sta uskomattoman lämmönjohtimen – se on lähes 1000 kertaa tehokkaampi kuin kupari lämmönpoistossa. Toinen sisäisen konvektion etu on, että lämpö siirtyy niin nopeasti, että helium II:ssa ei voi muodostua kuplia sen lämpeneessä, joten räjähdysmäisen kiehumisen vaaraa ei ole.

Huolimatta oudoista kvanttiominaisuuksistaan helium II virtaa suurten putkien läpi aivan kuten tavallinen neste, joten sitä on suhteellisen helppo käsitellä. Supernestekomponentti voi kuitenkin kulkea hyvin helposti pienten huokosten läpi, kun taas normaali neste ei. Tuloksena on "suihkulähdeefekti", jota voidaan käyttää helium II:n pumppaamiseen ilman mekaanisia välineitä.

Lopputulos on, että helium II voi erittäin tehokkaasti jäähdyttää monenlaisia materiaaleja lämpötiloihin, joissa niistä tulee suprajohtavia. Suprajohteet voivat kuljettaa suuria sähkövirtoja kuumentamatta, ja Weisend tarkastelee kirjassaan kahta erittäin hedelmällistä helium II -jäähdytettyjen suprajohteiden sovellusta.

Maanalaisesta ulkoavaruuteen

Ensimmäisenä ilmaantui suprajohtava radiotaajuus (SRF) -ontelo, joka kehitettiin 1960-luvulla nopeuttamaan varautuneita hiukkasia. SRF-ontelo on olennaisesti kammio suprajohtavassa putkessa, joka resonoi RF-signaalin kanssa. Kun RF-energiaa pumpataan onteloon, putkea pitkin syntyy valtava värähtelevä sähkökenttä. Jos varautunut hiukkanen tuodaan onteloon juuri oikeaan aikaan, se kiihtyy. Todellakin, kun useita erilaisia onteloita yhdistetään, voidaan saavuttaa erittäin suuria kiihtyvyksiä.

Helium II voi erittäin tehokkaasti jäähdyttää monenlaisia materiaaleja lämpötiloihin, joissa niistä tulee suprajohtavia

Weisend kertoo, kuinka uraauurtava työ SRF:ien parissa tehtiin klo Stanfordin yliopisto Yhdysvalloissa, missä Stanfordin suprajohtava kiihdytin rakennettiin 1960-luvulla. Kirjassa kuvataan myös, kuinka 1980-luvulla tiedemiehet rakensivat Jatkuva elektronisuihkukiihdytin (CEBAF) Yhdysvalloissa vältti huoneenlämpötilan kiihdytysjärjestelmän ja otti mahdollisuuden helium II -jäähdytettyihin SRF-laitteisiin. 1990-luvulla Tera Electron Volt Energy suprajohtava lineaarinen kiihdytin (TESLA) -projekti DESYssä Saksassa johti SRF:ien kehittämiseen International Linear Colliderille (ILC), joka voisi olla Large Hadron Colliderin (LHC) seuraaja.

Tällä välin monet muut laboratoriot ovat ottaneet käyttöön helium II -jäähdytettyjä SRF-laitteita, mukaan lukien CERN. CERNin SRF:ien jäähdytyksen lisäksi LHC:n magneetit jäähdytetään helium II:lla. Weisend huomauttaa, että CERN:ssä ja muissa laboratorioissa käytetty magneettijäähdytystekniikka oli edelläkävijä hyvin erilaiseen sovellukseen, ydinfuusion luomiseen magneettisesti suljetussa vetyplasmassa. Tämä tehtiin Tore Suprassa, joka oli ranskalainen tokamak, joka toimi vuosina 1988–2010 ja jota on sittemmin päivitetty ja nimetty uudelleen. WEST. Tokamak sijaitsee Cadarachessa, jossa ITERin fuusiovoiman demonstraatiota rakennetaan parhaillaan magneeteilla, jotka jäähdytetään tavallisella nestemäisellä heliumilla helium II:n sijaan.

Superfluid "tuntuu" lämpöä johtavalta pinnalta, joka sulkee sisäänsä tyhjän sisustuksen

Toinen superfluid-tekniikan saavutus, jonka Weisend käsittelee yksityiskohtaisesti, on Infrapuna tähtitieteellinen satelliitti (IRAS), joka laukaistiin vuonna 1983 ja oli ensimmäinen merkittävä helium II:n käyttö avaruudessa. Weisend selittää, kuinka IRAS-suunnittelijat selvisivät merkittävistä haasteista, mukaan lukien tavan kehittää heliumhöyryä, kun se sekoitetaan nestemäisyyksiin vähäpainoisessa ympäristössä.

IRAS säilytti superfluid-jäähdytyksen 300 päivän ajan samalla kun se löysi monia infrapunaobjekteja. Sen menestys inspiroi tulevia helium II:ta käyttäviä tehtäviä, mukaan lukien Cosmic Background Explorer (COBE). Tämä aloitettiin vuonna 1989 ja johti siihen, että George Smoot ja John Mather saivat fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2006 kosmisen mikroaaltouunin taustan anisotropian löytämisestä.

Helium II:n menneisyyden ja nykyisyyden lisäksi supraneste katsoo tulevaisuuteen. Weisend huomauttaa, että helium II:n aikakausi avaruudessa on todennäköisesti ohi, koska on kehitetty mekaanisia jäähdyttimiä, jotka voivat saavuttaa erittäin alhaisia lämpötiloja. Hän käsittelee lyhyesti myös toista helium-supernestettä, helium-3:a, ja sitä, kuinka sitä voidaan käyttää yhdessä helium II:n kanssa jäähdyttämään asioita hyvin alhaisiin lämpötiloihin laimennusjääkaapissa.

Vaikka emme ehkä enää laukaise supernesteitä avaruuteen, Weisend tekee selväksi, että täällä maan päällä on monia tulevaisuuden sovelluksia. Itse asiassa helium II -jäähdytetyt fuusiovoimalaitokset voisivat auttaa vähentämään hiilestä taloutta, ja seuraavan sukupolven kiihdytin voisi pian antaa meille näkemyksen fysiikasta standardimallia pidemmälle.