Superfluïditeit: het mysterieuze kwantumeffect dat de ruggengraat werd van de experimentele natuurkunde – 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="Super vreemd Veel van de eigenschappen van helium II, waaronder de buitengewone thermische geleidbaarheid, kunnen worden beschreven met behulp van een twee-vloeistoffenmodel. (Met dank aan iStock/3quarks)”>

De effecten van de kwantummechanica zijn overal om ons heen te zien, maar de kwantumeigenschappen van materie zijn over het algemeen alleen zichtbaar op microscopisch niveau. Superfluïde helium is een uitzondering, en sommige van zijn bizarre kenmerken zijn met het blote oog waar te nemen. Als Johannes Weisend – een ingenieur bij de Europese spallatiebron en Lund University – legt uit in zijn boek SuperfluïdeDeze eigenschappen hebben deze merkwaardige stof tot een essentieel onderdeel van veel geavanceerde technologieën gemaakt. Superfluïde helium is verre van een wetenschappelijke curiositeit en wordt tegenwoordig door onderzoekers en ingenieurs in hoeveelheden van meerdere tonnen gebruikt.

In zijn boek, dat ik met veel plezier heb gelezen, onderzoekt Weisend hoe superfluïde helium een ​​belangrijke rol heeft gespeeld in enkele van de belangrijkste wetenschappelijke doorbraken van de afgelopen 100 jaar. Deze omvatten de ontdekkingen van het Higgs-deeltje op CERN en de inhomogeniteiten in de kosmische microgolfachtergrondstraling – die beide leidden tot Nobelprijzen voor de natuurkunde.

Terwijl Superfluïde is gericht op de niet-natuurkundige, ontdekte ik dat er veel was dat mij interesseerde als iemand met een achtergrond in de natuurkunde van de gecondenseerde materie. Weisend gaat veel verder dan de natuurkunde en geeft een duidelijke en beknopte beschrijving van hoe superfluïde helium door ingenieurs wordt gebruikt in wetenschappelijke experimenten. Het boek is geïllustreerd met originele technische tekeningen, wat het een warme en historische uitstraling geeft.

Vloeibaar helium en de geboorte van cryogene techniek

De vreemde eigenschappen van superfluïde helium-4 (ook bekend als vloeibaar helium II) ontstaan ​​door de kwantumregels die de symmetrie van de golffuncties van heliumatomen beheersen. Elektronen, die fermionen zijn, kunnen niet dezelfde kwantumtoestand innemen, maar hetzelfde geldt niet voor helium-4-atomen. Wanneer het wordt gekoeld tot onder ongeveer 2 K, kunnen grote aantallen atomen de laagste energietoestand (grondtoestand) innemen.

Wanneer dit gebeurt, vormen de atomen een supervloeistof. Supervloeistoffen kunnen bergopwaarts stromen en door zeer kleine openingen, ze geleiden de warmte zeer efficiënt en koken niet zoals conventionele vloeistoffen. Weisend legt uit dat deze eigenschappen helium II uiterst nuttig maken om dingen tot zeer lage temperaturen te koelen.

Het boek is geïllustreerd met originele technische tekeningen, wat het een warme en historische uitstraling geeft

Superfluïde begint eind 19e eeuw met de race om gassen zoals zuurstof, stikstof en waterstof vloeibaar te maken – een race die het moderne vakgebied van de cryogene techniek heeft gecreëerd. Helium bleek een uitdaging omdat de kooktemperatuur van 4.2 K veel lager is dan die van andere gassen. Bovendien werd helium pas in 1895 op aarde geïsoleerd en was het schaars tot 1903, toen het in aardgas werd aangetroffen.

Maar een doorbraak kwam in 1908 toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes de eerste werd die helium vloeibaar maakte. Onnes gebruikte zijn bevindingen vervolgens om verschillende materialen te koelen en hun eigenschappen te meten, wat leidde tot zijn ontdekking van supergeleiding in 1911. Hij ontving in 1913 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn werk op het gebied van de cryogene techniek.

Thomas Kuhn: nieuwe inzichten in een revolutionaire wetenschapsfilosoof

Hints van superfluïditeit zijn mogelijk door Onnes opgemerkt toen hij bewijs zag van een faseovergang in vloeibaar helium toen de substantie afkoelde. Maar ondanks dit aanvankelijke experimentele succes bleef het moeilijk om helium vloeibaar te maken tot ver in de jaren dertig, toen de superfluïde eigenschap van nulviscositeit voor het eerst werd gemeten. Dit werd gedaan door zowel de Sovjet-natuurkundige Piotr Kapitza als onafhankelijk door de Canadese onderzoekers Jack Allen en Don Misener. In een stap die sommige Canadese natuurkundigen, waaronder deze recensent, niet hebben vergeven, ontving alleen Kapitza in 1930 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor deze ontdekking.

Een van de meest fascinerende aspecten van helium II is dat veel van zijn unieke en nuttige eigenschappen kunnen worden begrepen met behulp van een relatief eenvoudig model dat beschrijft dat het superfluïde en normaal-vloeibare componenten bevat. Dit twee-vloeistoffenmodel werd eind jaren dertig ontwikkeld door de in Duitsland geboren Fritz London en de Hongaar Laszlo Tisza, en het is opmerkelijk goed in het uitleggen hoe warmte en massa worden overgedragen door helium II – en Weisend doet ook uitstekend werk in het beschrijven van de twee -vloeistofmodel in zijn boek.

De volledige kwantummechanische beschrijving van helium II werd in 1941 ontwikkeld door de Sovjet-theoretisch natuurkundige Lev Landau, waarvoor hij in 1962 een Nobelprijs in de wacht sleepte. Weisend beschrijft de theorie als moeilijk te begrijpen en doet wijselijk geen pogingen om een ​​diepgaande verklaring te geven. in zijn boek.

Cool blijven

Terwijl natuurkundigen in de jaren veertig een goed begrip hadden van helium II, duurde het tot de jaren zestig voordat de unieke eigenschappen van de stof door wetenschappers en ingenieurs werden benut – en Weisen besteedt er veel aan Superfluïde aan deze toepassingen. Hij legt uit dat de twee meest bruikbare kenmerken van helium II de zeer lage temperatuur en de zeer hoge warmtegeleiding zijn, waarbij de laatste het gevolg is van een uniek fenomeen dat “interne convectie” wordt genoemd.

Wanneer helium II zich in een temperatuurgradiënt bevindt, beweegt de normale component van de vloeistof weg van het hete gebied, terwijl de superfluïde component ernaartoe beweegt. Weisend legt uit dat dit proces helium II tot een ongelooflijke thermische geleider maakt: het is bijna 1000 keer efficiënter dan koper bij het verwijderen van warmte. Een ander voordeel van interne convectie is dat warmte zo snel wordt getransporteerd dat er zich geen bellen kunnen vormen in helium II als het opwarmt, zodat er geen gevaar bestaat voor explosief koken.

Ondanks zijn vreemde kwantumeigenschappen stroomt helium II door grote pijpen, net als een normale vloeistof, waardoor het relatief eenvoudig te hanteren is. De supervloeibare component kan echter heel gemakkelijk door kleine poriën dringen, terwijl de normale vloeistof dat niet kan. Het resultaat is het “fonteineffect”, waarmee helium II zonder enige mechanische middelen kan worden verpompt.

Het resultaat is dat helium II een breed scala aan materialen zeer efficiënt kan afkoelen tot temperaturen waarbij ze supergeleidend worden. Supergeleiders kunnen grote elektrische stromen transporteren zonder op te warmen, en Weisend bespreekt in zijn boek twee zeer vruchtbare toepassingen van met helium II gekoelde supergeleiders.

Van ondergronds naar de ruimte

De eerste die opdook was de supergeleidende radiofrequentieholte (SRF), die in de jaren zestig werd ontwikkeld om geladen deeltjes te versnellen. Een SRF-holte is in wezen een kamer in een supergeleidende buis die resoneert met een RF-signaal. Terwijl RF-energie in de holte wordt gepompt, ontstaat er langs de buis een enorm oscillerend elektrisch veld. Als een geladen deeltje op het juiste moment in de holte wordt gebracht, wordt het versneld. Wanneer meerdere verschillende holten met elkaar worden verbonden, kunnen namelijk zeer hoge versnellingen worden bereikt.

Helium II kan een breed scala aan materialen zeer efficiënt afkoelen tot temperaturen waarbij ze supergeleidend worden

Weisend legt uit hoe het pionierswerk op het gebied van SRF's tot stand kwam Stanford University in de VS, waar in de jaren zestig de Stanford Superconducting Accelerator werd gebouwd. Het boek beschrijft ook hoe wetenschappers in de jaren tachtig de Continu Electron Beam Accelerator-faciliteit (CEBAF) in de VS schuwde een acceleratieschema bij kamertemperatuur en waagde een gok op met helium II gekoelde SRF's. In de jaren negentig heeft de Tera Electron Volt Energy supergeleidende lineaire versneller (TESLA)-project bij DESY in Duitsland leidde tot de ontwikkeling van SRF's voor een International Linear Collider (ILC), die een opvolger zou kunnen zijn van de Large Hadron Collider (LHC).

In de tussentijd hebben veel andere laboratoria helium II-gekoelde SRF's omarmd, waaronder CERN. Naast het koelen van SRF's op CERN, worden de magneten van de LHC gekoeld met behulp van helium II. Weisend wijst erop dat de magneetkoelingstechnologie die bij CERN en andere laboratoria wordt gebruikt, werd ontwikkeld voor een heel andere toepassing: de zoektocht naar kernfusie in een magnetisch opgesloten waterstofplasma. Dit werd gedaan bij Tore Supra, een Franse tokamak die actief was van 1988 tot 2010 en sindsdien is geüpgraded en hernoemd WEST. De tokamak bevindt zich in Cadarache, waar de ITER-demonstrator voor fusie-energie momenteel wordt gebouwd met magneten die worden gekoeld door normaal vloeibaar helium, in plaats van door helium II.

Superfluïde 'voelt' aan als een warmtegeleidend oppervlak dat een leeg interieur omsluit

Een ander supervloeiend technisch hoogstandje dat Weisend in detail behandelt, is de Infrarood Astronomische Satelliet (IRAS), gelanceerd in 1983 en het eerste significante gebruik van helium II in de ruimte. Weisend legt uit hoe IRAS-ontwerpers aanzienlijke uitdagingen hebben overwonnen, waaronder het ontwikkelen van een manier om heliumdamp te laten ontsnappen wanneer deze wordt gemengd met klodders vloeistof in een omgeving met lage zwaartekracht.

IRAS handhaafde 300 dagen superfluïde koeling terwijl het veel infraroodobjecten ontdekte. Het succes ervan inspireerde toekomstige missies waarbij helium II werd gebruikt, waaronder de Cosmic Background Explorer (COBE). Dit werd gelanceerd in 1989 en leidde ertoe dat George Smoot en John Mather in 2006 de Nobelprijs voor de natuurkunde ontvingen voor het ontdekken van de anisotropie van de kosmische microgolfachtergrond.

Naast het kijken naar het verleden en heden van helium II, Superfluïde kijkt naar de toekomst. Weisend wijst erop dat het tijdperk van helium II in de ruimte waarschijnlijk voorbij is vanwege de ontwikkeling van mechanische koelers die zeer lage temperaturen kunnen bereiken. Hij gaat ook kort in op het andere superfluïde helium, helium-3, en hoe het samen met helium II kan worden gebruikt om dingen in een verdunningskoelkast tot zeer lage temperaturen af ​​te koelen.

Hoewel we misschien geen supervloeistoffen meer de ruimte in lanceren, maakt Weisend duidelijk dat er hier op aarde veel toekomstige toepassingen zijn. Helium II-gekoelde fusiecentrales zouden inderdaad kunnen helpen de economie koolstofvrij te maken en de volgende generatie versnellers zouden ons binnenkort een kijk op de natuurkunde kunnen geven die verder gaat dan het standaardmodel.

• 2023 Springer 150pp $29.99pb

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/