Szuperfolyékonyság: a titokzatos kvantumhatás, amely a kísérleti fizika gerincévé vált – Physics World

Szuperfolyékonyság: a titokzatos kvantumhatás, amely a kísérleti fizika gerincévé vált – Physics World

Időbélyeg: 14. február 2024. 6:00

Hamish Johnston vélemények Szuperfolyadék: Hogyan forradalmasította a kvantumfolyadék a modern tudományt írta 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="Szuper furcsa A hélium II számos tulajdonsága, beleértve a rendkívüli hővezető képességét, leírható egy kétfolyadékos modell segítségével. (jóvoltából: iStock/3quarks)”> A művész benyomása egy szuperfolyadékról
Szuper furcsa A hélium II számos tulajdonsága, beleértve a rendkívüli hővezető képességét, leírható egy kétfolyadékos modell segítségével. (jóvoltából: iStock/3quarks)

A kvantummechanika hatásai körülöttünk vannak, de az anyag kvantumtulajdonságai általában csak mikroszkopikus szinten látszanak. Ez alól kivételt képez a szuperfolyékony hélium, és néhány furcsa tulajdonsága szabad szemmel is látható. Mint John Weisend – egy mérnök a Európai telepítési forrás és a Lund Egyetem – magyarázza könyvében szuperfolyadék, ezek a tulajdonságok tették ezt a különleges anyagot számos élvonalbeli technológia lényeges alkotóelemévé. Korántsem tudományos érdekesség, a szuperfolyékony héliumot ma több tonnás mennyiségben használják a kutatók és mérnökök.

Könyvében, amelyet szívesen olvastam, Weisend feltárja, hogy a szuperfolyékony hélium milyen fontos szerepet játszott az elmúlt 100 év legfontosabb tudományos áttöréseiben. Ezek közé tartozik a Higgs-bozon felfedezése is CERN és a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás inhomogenitásai – mindkettő fizikai Nobel-díjhoz vezetett.

Míg szuperfolyadék A nem fizikusokat célozza meg, azt tapasztaltam, hogy sok minden érdekelt, mint a sűrítettanyag-fizika múltjával. Valójában a Weisend jóval túlmutat a fizikán, és világos és tömör leírást ad arról, hogy a mérnökök hogyan használják fel a szuperfolyékony héliumot tudományos kísérletekben. A könyvet eredeti műszaki rajzokkal illusztrálták, ami meleg és történelmi hangulatot kölcsönöz neki.

A folyékony hélium és a kriogenika születése

A szuperfolyékony hélium-4 (más néven folyékony hélium II) furcsa tulajdonságai a héliumatomok hullámfüggvényeinek szimmetriáját szabályozó kvantumszabályokból fakadnak. Az elektronok, amelyek fermionok, nem foglalhatják el ugyanazt a kvantumállapotot, de ez nem igaz a hélium-4 atomokra. Körülbelül 2 K alá hűtve az atomok nagy része elfoglalhatja a legalacsonyabb energiájú (alapállapotot).

Amikor ez megtörténik, az atomok szuperfolyadékot képeznek. A szuperfolyadékok felfelé és nagyon kis nyílásokon keresztül áramolhatnak, nagyon hatékonyan vezetik a hőt, és nem forrnak fel, mint a hagyományos folyadékok. Weisend elmagyarázza, hogy ezek a tulajdonságok rendkívül hasznossá teszik a hélium II-t a dolgok nagyon alacsony hőmérsékletre történő hűtésében.

A könyvet eredeti műszaki rajzokkal illusztrálták, ami meleg és történelmi hangulatot kölcsönöz neki

szuperfolyadék század végén kezdődik az olyan gázok cseppfolyósításáért folyó versenyfutással, mint az oxigén, a nitrogén és a hidrogén – ez a verseny hozta létre a kriogenika modern területét. A hélium kihívásnak bizonyult, mert 19 K-es forráspontja sokkal alacsonyabb, mint más gázok. Ezenkívül a héliumot csak 4.2-ben izolálták a Földön, és egészen 1895-ig hiánycikk volt, amikor is megtalálták a földgázban.

Ám az áttörés 1908-ban következett be, amikor Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus volt az első, aki cseppfolyósította a héliumot. Onnes ezt követően különböző anyagok lehűtésére és tulajdonságaik mérésére használta fel eredményeit, ami 1911-ben a szupravezetés felfedezéséhez vezetett. Kriogenikai munkájáért 1913-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat.

A szuperfolyékonyságra utaló jeleket Onnes észlelhetett, amikor bizonyítékot látott a folyékony héliumban az anyag lehűlése közben bekövetkező fázisátalakulásra. A kezdeti kísérleti siker ellenére azonban nehéz volt a hélium cseppfolyósítása egészen az 1930-as évekig, amikor először megmérték a nulla viszkozitás szuperfolyékony tulajdonságát. Ezt Piotr Kapitza szovjet fizikus és egymástól függetlenül Jack Allen és Don Misener kanadai kutatók is megtették. Egy olyan lépést, amelyet egyes kanadai fizikusok, köztük ez a recenzens sem bocsátottak meg, egyedül Kapitza kapott 1978-ban a fizikai Nobel-díjat a felfedezésért.

A hélium II egyik leglenyűgözőbb aspektusa, hogy számos egyedi és hasznos tulajdonsága megérthető egy viszonylag egyszerű modell segítségével, amely azt írja le, hogy szuperfolyékony és normál folyadék komponenseket tartalmaz. Ezt a kétfolyadékos modellt az 1930-as évek végén fejlesztette ki a német származású Fritz London és a magyar Tisza László, és rendkívül jól elmagyarázza, hogyan továbbítja a hőt és a tömeget a hélium II – és Weisend is remekül leírja a kettőt. -fluid modell a könyvében.

A hélium II teljes körű kvantummechanikai leírását Lev Landau szovjet elméleti fizikus dolgozta ki 1941-ben, amiért 1962-ben Nobel-díjat kapott. Weisend az elméletet nehezen érthetőnek írja le, és bölcsen nem kísérel meg mélyreható magyarázatot. könyvében.

Hűvös

Míg a fizikusok már az 1940-es években jól megértették a hélium II-t, az anyag egyedülálló tulajdonságait csak az 1960-as években kezdték kiaknázni a tudósok és mérnökök – Weisend pedig sokat foglalkozik vele. szuperfolyadék ezekhez az alkalmazásokhoz. Kifejti, hogy a hélium II két leghasznosabb tulajdonsága a nagyon alacsony hőmérséklet és a nagyon magas hővezetés, ez utóbbi egy egyedülálló jelenség, az úgynevezett „belső konvekció” következménye.

Amikor a hélium II hőmérsékleti gradiensben van, a folyadék normál komponense eltávolodik a forró tartománytól, míg a szuperfolyékony komponens felé. Weisend elmagyarázza, hogy ez az eljárás hihetetlen hővezetővé teszi a hélium II-t – közel 1000-szer hatékonyabb a hő eltávolításában, mint a réz. A belső konvekció másik előnye, hogy a hő olyan gyorsan szállítódik, hogy a hélium II-ben nem képződhetnek buborékok a melegedés során, így nem áll fenn a robbanásveszélyes forrás.

Különös kvantumtulajdonságai ellenére a hélium II nagy csövekben áramlik, hasonlóan egy normál folyadékhoz, így viszonylag egyszerű a kezelése. A szuperfolyékony komponens azonban nagyon könnyen áthatol az apró pórusokon, míg a normál folyadék nem. Az eredmény a „szökőkút-effektus”, amellyel a hélium II szivattyúzható mechanikai eszközök nélkül.

Ennek eredménye az, hogy a hélium-II nagyon hatékonyan képes az anyagok széles skáláját olyan hőmérsékletre hűteni, amelyen azok szupravezetővé válnak. A szupravezetők felmelegedés nélkül képesek nagy elektromos áramot szállítani, Weisend pedig a hélium II-vel hűtött szupravezetők két nagyon gyümölcsöző alkalmazását vizsgálja könyvében.

A földalattitól a világűrig

Elsőként a szupravezető rádiófrekvenciás (SRF) üreg jelent meg, amelyet az 1960-as években fejlesztettek ki a töltött részecskék felgyorsítására. Az SRF üreg lényegében egy kamra egy szupravezető csőben, amely rezonál egy RF jelre. Ahogy az RF energiát az üregbe pumpálják, hatalmas oszcilláló elektromos tér jön létre a cső mentén. Ha egy töltött részecskét a megfelelő időben juttatunk az üregbe, az felgyorsul. Valójában több különböző üreg összekapcsolásával nagyon nagy gyorsulások érhetők el.

A Hélium II nagyon hatékonyan képes az anyagok széles skáláját olyan hőmérsékletre hűteni, amelyen szupravezetővé válnak

Weisend elmagyarázza, hogyan történt az SRF-ekkel kapcsolatos úttörő munka Stanford Egyetem az Egyesült Államokban, ahol az 1960-as években megépült a Stanford Superconducting Accelerator. A könyv azt is leírja, hogy az 1980-as években a tudósok hogyan építették a Folyamatos elektronsugaras gyorsító berendezés (CEBAF) az Egyesült Államokban elkerülte a szobahőmérsékletű gyorsítási sémát, és megkockáztatta a hélium II-es hűtésű SRF-eket. Az 1990-es években a Tera Electron Volt Energy szupravezető lineáris gyorsító A (TESLA) projekt a németországi DESY-nél vezetett SRF-ek kifejlesztéséhez egy International Linear Collider (ILC) számára, amely a Large Hadron Collider (LHC) utódja lehet.

Időközben sok más laboratórium is alkalmazta a hélium II-vel hűtött SRF-eket, köztük a CERN. A CERN-ben az SRF-ek hűtése mellett az LHC mágneseit hélium II segítségével hűtik. Weisend rámutat arra, hogy a CERN-ben és más laboratóriumokban használt mágneses hűtési technológia egy egészen más alkalmazáshoz vezetett úttörőként, egy mágnesesen zárt hidrogénplazmában magfúzió létrehozására. Ezt a Tore Supra-nál tették, amely egy francia tokamak volt, amely 1988 és 2010 között működött, és azóta frissítették és átnevezték. NYUGAT. A tokamak Cadarache-ban található, ahol jelenleg az ITER fúziós energia demonstrátorát építik mágnesekkel, amelyeket normál folyékony hélium hűt majd, nem pedig hélium II.

Egy másik szuperfolyékony mérnöki teljesítmény, amellyel a Weisend részletesen foglalkozik, az Infravörös csillagászati ​​műhold (IRAS), amelyet 1983-ban indítottak útjára, és ez volt a hélium II első jelentős felhasználása az űrben. Weisend elmagyarázza, hogyan küzdöttek le az IRAS tervezői a jelentős kihívásokkal, beleértve a héliumgőz szellőztetésének módját, amikor az alacsony gravitációs környezetben folyadékfoltokkal keveredik.

Az IRAS 300 napig szuperfolyékony hűtést tartott fenn, miközben számos infravörös objektumot fedezett fel. Sikere inspirálta a jövőbeni hélium II-t használó küldetéseket, köztük a Cosmic Background Explorer (COBE)-t. Ez 1989-ben indult, és 2006-ban George Smoot és John Mather fizikai Nobel-díjat kapott a kozmikus mikrohullámú háttér anizotrópiájának felfedezéséért.

A hélium II múltjának és jelenének pillantása mellett, szuperfolyadék a jövőbe tekint. Weisend rámutat, hogy a hélium II korszaka az űrben valószínűleg véget ért, mert olyan mechanikus hűtőket fejlesztettek ki, amelyek nagyon alacsony hőmérsékletet képesek elérni. Röviden érinti a másik hélium-szuperfolyadékot, a hélium-3-at is, és azt, hogy hogyan használható a hélium II-vel együtt dolgok nagyon alacsony hőmérsékletre történő hűtésére egy hígítós hűtőszekrényben.

Bár lehet, hogy már nem bocsátunk ki szuperfluidokat az űrbe, Weisend világossá teszi, hogy számos jövőbeni alkalmazás létezik itt a Földön. Valójában a hélium-II-hűtéses fúziós erőművek segíthetnek a gazdaság szén-dioxid-mentesítésében, a következő generációs gyorsítók pedig hamarosan a standard modellen túlmutató fizikát is megmutathatnak.

  • 2023 Springer 150 oldal 29.99 USD

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa