Superfluiditas: Efek Kuantum Misterius yang Menjadi Tulang Punggung Fisika Eksperimental

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Hamish Johnson ulasan Superfluida: Bagaimana Fluida Kuantum Merevolusi Ilmu Pengetahuan Modern oleh John Weisend

Kesan artis tentang superfluida — **Sangat aneh** Banyak sifat helium II, termasuk konduktivitas termalnya yang luar biasa, dapat dijelaskan dengan menggunakan model dua fluida. (Sumber: iStock/3quarks)

Efek mekanika kuantum ada di sekitar kita, namun sifat kuantum materi umumnya hanya terlihat pada tingkat mikroskopis. Helium superfluida merupakan pengecualian, dan beberapa karakteristik anehnya dapat dilihat dengan mata telanjang. Sebagai John Weisend – seorang insinyur di Sumber Spallation Eropa dan Universitas Lund – menjelaskan dalam bukunya Superfluida, sifat-sifat ini menjadikan zat aneh ini sebagai komponen penting dari banyak teknologi mutakhir. Jauh dari keingintahuan ilmiah, helium superfluida digunakan oleh para peneliti dan insinyur dalam jumlah multi-ton saat ini.

Dalam bukunya, yang saya senang baca, Weisend mengeksplorasi bagaimana helium superfluida memainkan peran penting dalam beberapa terobosan ilmiah terpenting dalam 100 tahun terakhir. Ini termasuk penemuan Higgs boson di CERN dan ketidakhomogenan dalam radiasi latar gelombang mikro kosmik – yang keduanya menghasilkan hadiah Nobel dalam bidang fisika.

Sementara Superfluida ditujukan untuk non-fisikawan, saya menemukan bahwa ada banyak hal yang menarik bagi saya sebagai seseorang dengan latar belakang fisika benda terkondensasi. Memang benar, Weisend melampaui ilmu fisika, dan memberikan gambaran yang jelas dan ringkas tentang bagaimana helium superfluida digunakan oleh para insinyur dalam eksperimen ilmiah. Buku ini diilustrasikan menggunakan gambar teknis asli, sehingga memberikan kesan hangat dan bersejarah.

Helium cair dan lahirnya kriogenik

Sifat aneh helium-4 superfluida (juga dikenal sebagai helium II cair) muncul karena aturan kuantum yang mengatur simetri fungsi gelombang atom helium. Elektron, yang merupakan fermion, tidak dapat menempati keadaan kuantum yang sama, namun hal yang sama tidak berlaku untuk atom helium-4. Ketika didinginkan hingga di bawah sekitar 2 K, sejumlah besar atom dapat menempati keadaan energi (dasar) terendah.

Ketika ini terjadi, atom-atom membentuk superfluida. Superfluida dapat mengalir ke atas dan melalui bukaan yang sangat kecil, menghantarkan panas dengan sangat efisien, dan tidak akan mendidih seperti cairan konvensional. Weisend menjelaskan bahwa sifat-sifat ini membuat helium II sangat berguna untuk mendinginkan benda pada suhu yang sangat rendah.

Buku ini diilustrasikan menggunakan gambar teknis asli, sehingga memberikan kesan hangat dan bersejarah

Superfluida dimulai pada akhir abad ke-19 dengan perlombaan untuk mencairkan gas seperti oksigen, nitrogen, dan hidrogen – perlombaan yang menciptakan bidang kriogenik modern. Helium terbukti menjadi tantangan karena suhu didihnya sebesar 4.2 K jauh lebih rendah dibandingkan gas lainnya. Selain itu, helium baru diisolasi di Bumi pada tahun 1895 dan persediaannya terbatas hingga tahun 1903, ketika ditemukan dalam gas alam.

Namun terobosan terjadi pada tahun 1908 ketika fisikawan Belanda Heike Kamerlingh Onnes menjadi orang pertama yang mencairkan helium. Onnes kemudian menggunakan temuannya untuk mendinginkan berbagai bahan dan mengukur sifat-sifatnya, yang membawanya pada penemuan superkonduktivitas pada tahun 1911. Ia mengantongi Hadiah Nobel Fisika tahun 1913 atas karyanya di bidang kriogenik.

pemikir hebat dengan kepala patah dalam gaya poligonal wireframe

Thomas Kuhn: wawasan baru tentang seorang filsuf sains revolusioner

Petunjuk superfluiditas mungkin telah ditemukan oleh Onnes ketika dia melihat bukti transisi fase dalam helium cair saat zat tersebut mendingin. Namun meskipun percobaan awal ini sukses, masih sulit untuk mencairkan helium hingga memasuki tahun 1930-an, ketika sifat superfluida dengan viskositas nol pertama kali diukur. Hal ini dilakukan oleh fisikawan Soviet Piotr Kapitza dan secara independen oleh peneliti Kanada Jack Allen dan Don Misener. Dalam sebuah tindakan yang belum dimaafkan oleh beberapa fisikawan Kanada, termasuk pengulas ini, hanya Kapitza yang dianugerahi Hadiah Nobel Fisika tahun 1978 atas penemuannya.

Salah satu aspek yang paling menarik dari helium II adalah banyaknya sifat unik dan berguna yang dapat dipahami dengan menggunakan model yang relatif sederhana yang menggambarkan helium memiliki komponen superfluida dan fluida normal. Model dua-fluida ini dikembangkan pada akhir tahun 1930-an oleh Fritz London dan Laszlo Tisza dari Hongaria, dan model ini sangat baik dalam menjelaskan bagaimana panas dan massa ditransfer oleh helium II – dan Weisend juga berhasil menjelaskan keduanya dengan baik. -model fluida dalam bukunya.

Deskripsi lengkap mekanika kuantum helium II dikembangkan oleh fisikawan teoritis Soviet Lev Landau pada tahun 1941, dan ia mengantongi hadiah Nobel pada tahun 1962. Weisend menggambarkan teori ini sebagai teori yang sulit untuk dipahami dan dengan bijaksana tidak mencoba memberikan penjelasan yang mendalam. dalam bukunya.

Tetap dingin

Meskipun fisikawan mempunyai pemahaman yang baik tentang helium II pada tahun 1940-an, baru pada tahun 1960-an sifat unik dari zat tersebut mulai dieksploitasi oleh para ilmuwan dan insinyur – dan Weisend mencurahkan banyak waktunya untuk mempelajari helium II. Superfluida ke aplikasi ini. Dia menjelaskan bahwa dua fitur helium II yang paling berguna adalah suhunya yang sangat rendah dan konduksi panasnya yang sangat tinggi, yang terakhir disebabkan oleh fenomena unik yang disebut “konveksi internal”.

Ketika helium II berada dalam gradien suhu, komponen normal fluida menjauh dari daerah panas, sedangkan komponen superfluida bergerak ke arah tersebut. Weisend menjelaskan bahwa proses ini menjadikan helium II sebagai konduktor termal yang luar biasa – hampir 1000 kali lebih efisien daripada tembaga dalam menghilangkan panas. Keuntungan lain dari konveksi internal adalah panas diangkut dengan sangat cepat sehingga gelembung-gelembung di helium II tidak dapat terbentuk saat memanas, sehingga tidak ada bahaya terjadinya ledakan mendidih.

Meskipun sifat kuantumnya aneh, helium II mengalir melalui pipa besar seperti fluida biasa, sehingga relatif mudah untuk ditangani. Namun, komponen superfluida dapat dengan mudah melewati pori-pori kecil, sedangkan cairan normal tidak dapat melewatinya. Hasilnya adalah “efek air mancur”, yang dapat digunakan untuk memompa helium II tanpa alat mekanis apa pun.

Hasilnya adalah helium II dapat mendinginkan berbagai macam material dengan sangat efisien hingga mencapai suhu yang memungkinkan material tersebut menjadi superkonduktor. Superkonduktor dapat membawa arus listrik yang besar tanpa memanas, dan Weisend membahas dua penerapan superkonduktor berpendingin helium II yang sangat bermanfaat dalam bukunya.

Dari bawah tanah hingga luar angkasa

Yang pertama muncul adalah rongga frekuensi radio superkonduktor (SRF), yang dikembangkan pada tahun 1960an untuk mempercepat partikel bermuatan. Rongga SRF pada dasarnya adalah sebuah ruang dalam tabung superkonduktor yang beresonansi dengan sinyal RF. Saat energi RF dipompa ke dalam rongga, medan listrik berosilasi besar tercipta di sepanjang tabung. Jika partikel bermuatan dimasukkan ke dalam rongga pada waktu yang tepat, maka partikel tersebut akan mengalami percepatan. Memang, ketika beberapa rongga berbeda dihubungkan, percepatan yang sangat tinggi dapat dicapai.

Helium II dapat mendinginkan berbagai macam material dengan sangat efisien hingga mencapai suhu di mana material tersebut menjadi superkonduktor

Weisend menjelaskan bagaimana pekerjaan perintisan SRF dilakukan di Stanford University di AS, tempat Stanford Superconducting Accelerator dibangun pada tahun 1960an. Buku ini juga menjelaskan bagaimana, pada tahun 1980an, para ilmuwan membangun Fasilitas Akselerator Berkas Elektron Berkelanjutan (CEBAF) di AS menghindari skema percepatan suhu ruangan dan mengambil peluang pada SRF berpendingin helium II. Pada tahun 1990-an, Akselerator Linier Superkonduktor Energi Tera Elektron Volt (TESLA) proyek di DESY di Jerman memimpin upaya pengembangan SRF untuk International Linear Collider (ILC), yang dapat menjadi penerus Large Hadron Collider (LHC).

Untuk sementara, banyak laboratorium lain telah menggunakan SRF berpendingin helium II, termasuk CERN. Selain mendinginkan SRF di CERN, magnet LHC juga didinginkan menggunakan helium II. Weisend menunjukkan bahwa teknologi pendingin magnet yang digunakan di CERN dan laboratorium lain dirintis untuk penerapan yang sangat berbeda, yaitu upaya menciptakan fusi nuklir dalam plasma hidrogen yang dibatasi secara magnetis. Hal ini dilakukan di Tore Supra, yaitu tokamak Perancis yang beroperasi dari tahun 1988 hingga 2010 dan sejak itu telah ditingkatkan dan diganti namanya BARAT. Tokamak terletak di Cadarache, tempat demonstran daya fusi ITER saat ini sedang dibuat dengan magnet yang akan didinginkan oleh helium cair biasa, bukan helium II.

Superfluida 'terasa' seperti permukaan penghantar panas yang menutupi bagian dalam yang kosong

Prestasi rekayasa superfluida lainnya yang dicakup Weisend secara rinci adalah Satelit Astronomi Inframerah (IRAS), yang diluncurkan pada tahun 1983 dan merupakan penggunaan helium II pertama yang signifikan di luar angkasa. Weisend menjelaskan bagaimana perancang IRAS mengatasi tantangan signifikan termasuk mengembangkan cara untuk melepaskan uap helium ketika dicampur dengan gumpalan cairan di lingkungan dengan gravitasi rendah.

IRAS mempertahankan pendinginan superfluida selama 300 hari sambil menemukan banyak objek inframerah. Keberhasilannya menginspirasi misi masa depan yang menggunakan helium II, termasuk Cosmic Background Explorer (COBE). Ini diluncurkan pada tahun 1989, dan menyebabkan George Smoot dan John Mather dianugerahi Hadiah Nobel Fisika pada tahun 2006 karena menemukan anisotropi latar belakang gelombang mikro kosmik.

Serta melihat masa lalu dan masa kini helium II, Superfluida melihat ke masa depan. Weisend menunjukkan bahwa era helium II di luar angkasa mungkin telah berakhir karena perkembangan pendingin mekanis yang dapat mencapai suhu sangat rendah. Dia juga secara singkat membahas tentang superfluida helium lainnya, helium-3, dan bagaimana helium dapat digunakan bersama dengan helium II untuk mendinginkan benda hingga suhu yang sangat rendah dalam lemari es pengenceran.

Meskipun kita mungkin tidak lagi meluncurkan superfluida ke luar angkasa, Weisend menjelaskan bahwa ada banyak penerapan di masa depan di Bumi. Memang benar, pembangkit listrik fusi berpendingin helium II dapat membantu dekarbonisasi perekonomian dan akselerator generasi mendatang dapat segera memberi kita pandangan fisika di luar Model Standar.