초유체성: 실험 물리학의 중추가 된 신비한 양자 효과

플라톤에 의해 재발행

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해미시 존스턴 리뷰 초유체: 양자유체는 어떻게 현대 과학에 혁명을 일으켰는가 존 웨이젠드

초유체에 대한 예술가의 인상 — **슈퍼 이상한** 탁월한 열 전도성을 포함하여 헬륨 II의 많은 특성은 3유체 모델을 사용하여 설명할 수 있습니다. (제공: iStock/XNUMXquarks)

양자역학의 효과는 우리 주변 곳곳에 있지만 물질의 양자 특성은 일반적으로 미시적 수준에서만 명백하게 나타납니다. 초유체 헬륨은 예외이며 그 기괴한 특성 중 일부는 육안으로 볼 수 있습니다. 처럼 존 웨이센드 – 엔지니어 유럽 파쇄 소스 및 룬드 대학 – 그의 책에서 설명 초 유체, 이러한 특성으로 인해 이 호기심 많은 물질은 많은 최첨단 기술의 필수 구성 요소가 되었습니다. 과학적 호기심과는 거리가 먼 초유체 헬륨은 오늘날 연구자와 엔지니어에 의해 수톤에 달하는 양으로 사용되고 있습니다.

내가 재미있게 읽었던 책에서 Weisend는 초유체 헬륨이 지난 100년 동안 가장 중요한 과학적 혁신에서 어떻게 중요한 역할을 했는지 탐구합니다. 여기에는 Higgs boson의 발견이 포함됩니다. CERN 그리고 우주 마이크로파 배경 복사의 불균일성 – 두 가지 모두 물리학 노벨상을 수상했습니다.

DaVinci에는 초 유체 물리학자가 아닌 사람을 대상으로 한 책이지만, 응집물리학을 전공한 사람으로서 관심을 가질 만한 내용이 많다는 것을 알았습니다. 실제로 Weisend는 물리학을 뛰어넘어 과학 실험에서 엔지니어가 초유체 헬륨을 사용하는 방법에 대해 명확하고 간결한 설명을 제공합니다. 이 책은 독창적인 기술 도면을 사용하여 설명되어 있어 따뜻하고 역사적인 느낌을 줍니다.

액체 헬륨과 극저온의 탄생

초유체 헬륨-4(액체 헬륨 II라고도 함)의 이상한 특성은 헬륨 원자의 파동 함수의 대칭성을 지배하는 양자 규칙으로 인해 발생합니다. 페르미온인 전자는 동일한 양자 상태를 차지할 수 없지만 헬륨-4 원자의 경우에는 그렇지 않습니다. 약 2K 미만으로 냉각되면 많은 수의 원자가 가장 낮은 에너지(바닥) 상태를 차지할 수 있습니다.

이런 일이 발생하면 원자는 초유체를 형성합니다. 초유체는 매우 작은 구멍을 통해 오르막길을 따라 흐를 수 있으며 매우 효율적으로 열을 전도하고 기존 액체처럼 끓지 않습니다. Weisend는 이러한 특성으로 인해 헬륨 II가 사물을 매우 낮은 온도로 냉각하는 데 매우 유용하다고 설명합니다.

이 책은 독창적인 기술 도면을 사용하여 설명되어 있어 따뜻하고 역사적인 느낌을 줍니다.

초 유체 19세기 후반 산소, 질소, 수소 등의 기체를 액화하려는 경쟁으로 시작됩니다. 이는 현대 극저온 분야를 탄생시킨 경쟁입니다. 헬륨의 끓는점은 4.2K로 다른 가스보다 훨씬 낮기 때문에 헬륨은 도전적인 것으로 판명되었습니다. 게다가 헬륨은 1895년에야 지구에서 분리되었으며 1903년 천연가스에서 발견될 때까지 공급이 부족했습니다.

그러나 1908년 네덜란드 물리학자 하이케 카메를링 온네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 최초로 헬륨을 액화시키면서 돌파구가 마련되었습니다. 그런 다음 온네스는 자신의 발견을 사용하여 다양한 물질을 냉각시키고 그 특성을 측정했으며, 이로 인해 1911년에 초전도성을 발견하게 되었습니다. 그는 극저온 연구로 1913년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

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Onnes는 물질이 냉각됨에 따라 액체 헬륨의 상전이 증거를 보았을 때 초유동성에 대한 힌트를 발견했을 수 있습니다. 그러나 이러한 초기 실험 성공에도 불구하고 점도가 1930인 초유체 특성이 처음 측정된 1978년대까지 헬륨을 액화하는 것은 여전히 어려웠습니다. 이것은 소련 물리학자 Piotr Kapitza와 캐나다 연구자 Jack Allen과 Don Misener가 독립적으로 수행했습니다. 이 평론가를 포함한 일부 캐나다 물리학자들은 용서하지 않은 움직임으로 오직 Kapitza만이 이 발견으로 XNUMX년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

헬륨 II의 가장 매력적인 측면 중 하나는 헬륨 II가 초유체 및 정상 유체 구성 요소를 갖는 것으로 설명하는 상대적으로 간단한 모델을 사용하여 고유하고 유용한 많은 특성을 이해할 수 있다는 것입니다. 이 1930유체 모델은 XNUMX년대 후반 독일 태생의 Fritz London과 헝가리인 Laszlo Tisza에 의해 개발되었으며 헬륨 II에 의해 열과 질량이 전달되는 방식을 매우 잘 설명하고 Weisend도 이 두 가지를 훌륭하게 설명합니다. - 그의 책에 등장하는 유동 모델.

헬륨 II에 대한 본격적인 양자 역학적 설명은 1941년 소련의 이론 물리학자 레프 란다우(Lev Landau)에 의해 개발되었으며, 이로 인해 그는 1962년에 노벨상을 받았습니다. Weisend는 이 이론을 이해하기 어렵다고 설명하고 현명하게도 깊이 있는 설명을 시도하지 않습니다. 그의 책에서.

시원함 유지

물리학자들은 1940년대까지 헬륨 II에 대해 잘 이해했지만, 과학자와 엔지니어가 물질의 독특한 특성을 활용하기 시작한 것은 1960년대가 되어서였습니다. 초 유체 이러한 응용 프로그램에. 그는 헬륨 II의 가장 유용한 두 가지 특징은 매우 낮은 온도와 매우 높은 열 전도이며, 후자는 "내부 대류"라고 불리는 독특한 현상 때문이라고 설명합니다.

헬륨 II가 온도 구배에 있을 때 유체의 일반 구성 요소는 뜨거운 영역에서 멀어지는 반면 초유체 구성 요소는 뜨거운 영역을 향해 이동합니다. Weisend는 이 공정이 헬륨 II를 놀라운 열 전도체로 만든다고 설명합니다. 이는 열 제거에 있어서 구리보다 거의 1000배 더 효율적입니다. 내부 대류의 또 다른 이점은 열이 너무 빨리 전달되어 따뜻해질 때 헬륨 II에 기포가 형성될 수 없으므로 폭발적으로 끓을 위험이 없다는 것입니다.

이상한 양자 특성에도 불구하고 헬륨 II는 일반 유체처럼 큰 파이프를 통해 흐르기 때문에 상대적으로 다루기가 쉽습니다. 그러나 초유체 성분은 작은 기공을 매우 쉽게 통과할 수 있는 반면 일반 유체는 통과할 수 없습니다. 그 결과 기계적 수단 없이 헬륨 II를 펌핑하는 데 사용할 수 있는 "분수 효과"가 발생합니다.

결과적으로 헬륨 II는 다양한 범위의 물질을 초전도체가 되는 온도까지 매우 효율적으로 냉각할 수 있습니다. 초전도체는 가열하지 않고도 큰 전류를 전달할 수 있으며 Weisend는 그의 책에서 헬륨 II 냉각 초전도체의 매우 유익한 두 가지 응용 분야를 살펴봅니다.

지하에서 우주공간까지

가장 먼저 등장한 것은 하전 입자를 가속하기 위해 1960년대에 개발된 초전도 무선 주파수(SRF) 공동이었습니다. SRF 공동은 기본적으로 RF 신호와 공명하는 초전도 튜브의 챔버입니다. RF 에너지가 공동으로 펌핑되면 튜브를 따라 거대한 진동 전기장이 생성됩니다. 적절한 시간에 하전 입자가 공동에 도입되면 가속됩니다. 실제로 여러 개의 서로 다른 공동이 연결되면 매우 높은 가속도를 얻을 수 있습니다.

헬륨 II는 다양한 물질을 초전도체가 되는 온도까지 매우 효율적으로 냉각할 수 있습니다.

Weisend는 SRF에 대한 선구적인 작업이 어떻게 수행되었는지 설명합니다. Stanford University 1960년대 스탠포드 초전도 가속기가 건설된 미국. 이 책은 또한 1980년대 과학자들이 어떻게 과학을 구축했는지 설명합니다. 연속 전자빔 가속기 설비 (CEBAF)는 상온 가속 방식을 피하고 헬륨 II 냉각 SRF에 도전했습니다. 1990년대에는 테라 일렉트론 볼트 에너지 초전도 선형 가속기 독일 DESY의 TESLA(TESLA) 프로젝트는 LHC(Large Hadron Collider)의 후속 제품이 될 수 있는 국제 선형 충돌기(ILC)용 SRF 개발을 주도했습니다.

그 사이에 CERN을 포함한 다른 많은 연구실에서는 헬륨 II 냉각 SRF를 채택했습니다. CERN의 SRF 냉각뿐만 아니라 LHC의 자석도 헬륨 II를 사용하여 냉각됩니다. Weisend는 CERN과 다른 연구소에서 사용되는 자석 냉각 기술이 자기적으로 제한된 수소 플라즈마에서 핵융합을 생성하려는 탐구와 같이 매우 다른 응용 분야를 위해 개척되었다고 지적합니다. 이 작업은 1988년부터 2010년까지 운영된 프랑스 토카막인 Tore Supra에서 수행되었으며 이후 업그레이드되고 이름이 변경되었습니다. 서쪽. 토카막은 Cadarache에 위치해 있으며, 이곳에는 현재 헬륨 II가 아닌 일반 액체 헬륨으로 냉각되는 자석으로 ITER 핵융합 발전 실증기가 건설되고 있습니다.

초유체는 빈 내부를 둘러싸는 열전도 표면처럼 '느껴집니다'

Weisend가 자세히 다루는 또 다른 초유체 공학적 업적은 다음과 같습니다. 적외선 천문 위성 (IRAS)는 1983년에 발사되었으며 우주에서 최초로 헬륨 II를 사용한 중요한 사건이었습니다. Weisend는 IRAS 설계자가 저중력 환경에서 헬륨 증기가 액체 덩어리와 혼합될 때 헬륨 증기를 배출하는 방법을 개발하는 등 중요한 과제를 어떻게 극복했는지 설명합니다.

IRAS는 많은 적외선 물체를 발견하는 동안 300일 동안 초유체 냉각을 유지했습니다. 그 성공은 COBE(Cosmic Background Explorer)를 포함하여 헬륨 II를 사용하는 미래 임무에 영감을 주었습니다. 이것은 1989년에 발사되었으며, 우주 마이크로파 배경의 이방성을 발견한 공로로 조지 스무트(George Smoot)와 존 매더(John Mather)가 2006년 노벨 물리학상을 수상하게 되었습니다.

헬륨II의 과거와 현재를 살펴보면서, 초 유체 미래를 봅니다. Weisend는 매우 낮은 온도에 도달할 수 있는 기계적 냉각기의 개발로 인해 우주에서 헬륨 II의 시대는 아마도 끝났다고 지적합니다. 그는 또한 다른 헬륨 초유체인 헬륨-3과 이를 헬륨 II와 함께 사용하여 희석 냉장고에서 물질을 매우 낮은 온도로 냉각시키는 방법에 대해서도 간략하게 설명합니다.

우리는 더 이상 초유체를 우주로 발사하지 않을 수도 있지만, Weisend는 여기 지구에 미래에 많은 응용이 가능하다는 점을 분명히 했습니다. 실제로 헬륨 II 냉각 핵융합 발전소는 경제를 탈탄소화하는 데 도움이 될 수 있으며 차세대 가속기는 곧 표준 모델을 넘어서는 물리학적 관점을 제공할 수 있습니다.