超流動性: 実験物理学のバックボーンとなった神秘的な量子効果 – Physics World

<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="超奇妙な ヘリウム II の異常な熱伝導率を含む特性の多くは、3 流体モデルを使用して説明できます。 (提供: iStock/XNUMXquarks)”>

量子力学の影響は私たちの周りにありますが、物質の量子特性は通常、顕微鏡レベルでのみ明らかです。超流動ヘリウムは例外であり、その奇妙な特性のいくつかは肉眼で見ることができます。として ジョン・ワイゼント – のエンジニア 欧州核破砕ソース および ルンド大学 – 彼の本の中で説明しています 超流動、これらの特性により、この興味深い物質は多くの最先端技術の不可欠な要素となっています。超流動ヘリウムは科学的な好奇心とは程遠く、今日研究者や技術者によって数トンもの量で使用されています。

ワイゼントは著書の中で、過去 100 年間の最も重要な科学的進歩において超流動ヘリウムがどのように重要な役割を果たしてきたかを考察しています。これらには、ヒッグス粒子の発見が含まれます。 CERN そして宇宙マイクロ波背景放射の不均一性、これらは両方とも物理学のノーベル賞につながりました。

一方、 超流動 は非物理学者を対象としていますが、物性物理学の背景を持つ私にとって興味深いものがたくさんあることがわかりました。実際、ワイゼントは物理学をはるかに超えており、超流動ヘリウムが科学実験で技術者によってどのように使用されるかについて明確かつ簡潔に説明しています。この本はオリジナルの技術図面を使用して描かれており、温かみのある歴史的な雰囲気を与えています。

液体ヘリウムと極低温学の誕生

超流動ヘリウム 4 (液体ヘリウム II としても知られる) の奇妙な性質は、ヘリウム原子の波動関数の対称性を支配する量子則によって生じます。フェルミ粒子である電子は同じ量子状態を占めることはできませんが、ヘリウム 4 原子には同じことが当てはまりません。約 2 K 以下に冷却すると、多数の原子が最低エネルギー (基底) 状態を占めることができます。

これが起こると、原子は超流動体を形成します。超流体は非常に小さな開口部を通って上り坂を流れることができ、非常に効率的に熱を伝導し、従来の液体のように沸騰しません。ワイゼント氏は、これらの特性により、ヘリウム II は物体を非常に低い温度まで冷却するのに非常に役立つと説明しています。

この本はオリジナルの技術的な図面を使用して描かれており、温かみのある歴史的な雰囲気を与えています。

超流動 19 世紀後半に酸素、窒素、水素などのガスを液化する競争が始まり、この競争が現代の極低温分野を生み出しました。ヘリウムの沸騰温度は 4.2 K で、他のガスよりもはるかに低いため、ヘリウムは困難であることが判明しました。さらに、ヘリウムは 1895 年に地球上で分離されたばかりで、1903 年に天然ガスから発見されるまで供給不足でした。

しかし、1908 年にオランダの物理学者ヘイケ・カメルリング・オンネスがヘリウムの液化に初めて成功したときに画期的な進歩が起こりました。その後、オンズはその発見をさまざまな物質の冷却とその特性の測定に使用し、1911 年の超伝導の発見につながりました。彼は極低温の研究で 1913 年のノーベル物理学賞を受賞しました。

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超流動性のヒントは、液体ヘリウムが冷却されるにつれて液体ヘリウムの相転移の証拠を見たときにオンズによって発見された可能性があります。しかし、この最初の実験の成功にも関わらず、粘度ゼロの超流動特性が初めて測定される 1930 年代に至るまで、ヘリウムを液化することは困難なままでした。これはソ連の物理学者ピョートル・カピッツァとカナダの研究者ジャック・アレンとドン・マイズナーの両者によって独立して行われた。この評論家を含む一部のカナダの物理学者には許されない動きの中で、この発見により1978年のノーベル物理学賞を受賞したのはカピッツァだけだった。

ヘリウム II の最も魅力的な側面の 1930 つは、そのユニークで有用な特性の多くが、超流動成分と通常流体成分を持つものとして説明する比較的単純なモデルを使用して理解できることです。この XNUMX 流体モデルは、XNUMX 年代後半にドイツ生まれのフリッツ ロンドンとハンガリー人のラズロ ティッサによって開発されました。このモデルは、ヘリウム II によって熱と質量がどのように伝達されるかを説明するのに非常に優れています。ワイゼントもこの XNUMX つの流体を説明するのに優れています。 -著書の流体モデル。

ヘリウム II の本格的な量子力学的な記述は、1941 年にソ連の理論物理学者レフ ランダウによって開発され、1962 年にノーベル賞を受賞しました。ワイゼントはこの理論を理解するのが難しいと述べ、賢明にも詳細な説明を試みていません。彼の本の中で。

涼しさを保つ

物理学者は 1940 年代までにヘリウム II について十分に理解していましたが、この物質の独特の特性が科学者や技術者によって利用され始めたのは 1960 年代になってからでした。 超流動 これらのアプリケーションに。同氏は、ヘリウム II の 2 つの最も有用な特徴は、その非常に低い温度と非常に高い熱伝導であり、後者は「内部対流」と呼ばれる独特の現象によるものであると説明しています。

ヘリウム II が温度勾配にある場合、流体の標準成分は高温領域から遠ざかる一方、超流体成分は高温領域に向かって移動します。ワイゼント氏は、このプロセスによりヘリウム II が驚異的な熱伝導体となり、熱を除去する効率が銅よりもほぼ 1000 倍高いと説明しています。内部対流のもう XNUMX つの利点は、熱が非常に速く伝達されるため、ヘリウム II が温まるときに泡が形成されないため、爆発的な沸騰の危険がないことです。

ヘリウム II は、その奇妙な量子特性にもかかわらず、通常の流体と同じように大きなパイプの中を流れるため、比較的簡単に扱うことができます。ただし、超流動成分は小さな細孔を非常に簡単に通過できますが、通常の流体は通過できません。その結果が「噴水効果」であり、これを利用して機械的手段を使わずにヘリウム II を汲み上げることができます。

結論としては、ヘリウム II はさまざまな物質を超伝導になる温度まで非常に効率的に冷却できるということです。超伝導体は加熱せずに大電流を流すことができ、ワイゼント氏は著書の中でヘリウム II 冷却超伝導体の 2 つの非常に有益な応用例を取り上げています。

地下から宇宙へ

最初に登場したのは、荷電粒子を加速するために 1960 年代に開発された超伝導高周波 (SRF) 空洞でした。 SRF キャビティは本質的に、RF 信号と共振する超伝導管内のチャンバーです。 RF エネルギーがキャビティに注入されると、チューブに沿って巨大な振動電場が生成されます。荷電粒子が適切なタイミングで空洞に導入されると、加速されます。実際、いくつかの異なる空洞が接続されると、非常に高い加速が達成されます。

ヘリウム II は、広範囲の材料を超電導になる温度まで非常に効率的に冷却できます。

ワイゼントは、SRF に関する先駆的な研究がどのように行われたかを説明します。 スタンフォード大学 米国では、1960 年代にスタンフォード超電導加速器が建設されました。この本では、1980 年代に科学者たちがどのようにして 連続電子ビーム加速器施設 米国のCEBAFは室温加速計画を避け、ヘリウムII冷却SRFに挑戦した。 1990年代には、 テラ電子ボルトエネルギー超電導線形加速器 ドイツの DESY における (TESLA) プロジェクトは、大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) の後継となる可能性のある国際リニアコライダー (ILC) 用の SRF 開発の推進を主導しました。

それまでの間、CERN を含む他の多くの研究室がヘリウム II 冷却 SRF を採用しています。 CERN では SRF を冷却するだけでなく、LHC の磁石もヘリウム II を使用して冷却されます。ワイゼント氏は、CERNや他の研究所で使用されている磁石冷却技術は、磁気的に閉じ込められた水素プラズマ中で核融合を起こすという全く異なる用途のために開拓されたものであると指摘している。これは、1988 年から 2010 年まで運用され、その後アップグレードされ、名前が変更されたフランスのトカマク型トカマクであるトーレ スープラで行われました。 西。トカマクはカダラッシュにあり、現在、ヘリウム II ではなく通常の液体ヘリウムで冷却される磁石を備えた ITER 核融合発電実証機が建設されています。

超流動体は空の内部を囲む熱伝導表面のように「感じる」

ワイゼントが詳しく取り上げているもう 1 つの超流体工学の偉業は、 赤外線天文衛星 (IRAS) は 1983 年に打ち上げられ、宇宙でのヘリウム II の最初の重要な使用でした。ワイゼント氏は、低重力環境でヘリウム蒸気が液体の塊と混合した場合にヘリウム蒸気を排出する方法の開発など、IRAS 設計者が重要な課題をどのように克服したかについて説明します。

IRAS は、多くの赤外線天体を発見しながら、超流動冷却を 300 日間維持しました。その成功は、宇宙背景探査機 (COBE) など、ヘリウム II を使用する将来のミッションに影響を与えました。これは 1989 年に開始され、2006 年に宇宙マイクロ波背景放射の異方性を発見したジョージ・スムートとジョン・マザーがノーベル物理学賞を受賞することにつながりました。

ヘリウムⅡの過去と現在を振り返るとともに、 超流動 未来に目を向けます。ワイゼント氏は、非常に低い温度に到達できる機械式冷却器の開発により、宇宙でのヘリウム II の時代はおそらく終わったと指摘しています。彼はまた、もう 3 つの超流動ヘリウムであるヘリウム XNUMX と、それをヘリウム II と組み合わせて希釈冷凍機で非常に低い温度まで冷却する方法についても簡単に触れています。

超流動体を宇宙に打ち上げることはもうないかもしれないが、ワイゼント氏は、地球上には将来多くの応用分野があることを明らかにしている。実際、ヘリウム II 冷却核融合発電所は経済の脱炭素化に役立つ可能性があり、次世代加速器はすぐに標準模型を超えた物理学の視点を与えてくれるかもしれません。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/