Superfluidity: Den mystiske kvanteeffekten som ble en ryggrad i eksperimentell fysikk

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hamish Johnston anmeldelser Superfluid: How a Quantum Fluid revolusjonerte moderne vitenskap av John Weisend

Kunstnerens inntrykk av en superfluid — **Super merkelig** Mange av helium IIs egenskaper, inkludert dens ekstraordinære varmeledningsevne, kan beskrives ved hjelp av en to-væskemodell. (Med tillatelse: iStock/3quarks)

Effektene av kvantemekanikk er rundt oss, men materiens kvanteegenskaper er vanligvis bare synlige på mikroskopisk nivå. Superflytende helium er et unntak, og noen av dets bisarre egenskaper kan sees med det blotte øye. Som John Weisend – en ingeniør ved Europeisk spallasjonskilde og Lunds Universitet – forklarer i sin bok superflytende, har disse egenskapene gjort dette merkelige stoffet til en viktig komponent i mange banebrytende teknologier. Langt fra å være en vitenskapelig kuriositet, brukes superflytende helium av forskere og ingeniører i flere tonns mengder i dag.

I sin bok, som jeg likte å lese, utforsker Weisend hvordan superflytende helium har spilt en viktig rolle i noen av de viktigste vitenskapelige gjennombruddene de siste 100 årene. Disse inkluderer funnene av Higgs-bosonet kl CERN og inhomogenitetene i den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen – som begge førte til fysikknobelpriser.

Samtidig som superflytende er rettet mot ikke-fysikeren, fant jeg ut at det var mye som interesserte meg som en med bakgrunn i kondensert materiefysikk. Faktisk går Weisend langt utover fysikken, og gir en klar og kortfattet beskrivelse av hvordan superflytende helium brukes av ingeniører i vitenskapelige eksperimenter. Boken er illustrert med originale tekniske tegninger, noe som gir den et varmt og historisk preg.

Flytende helium og fødselen av kryogenikk

De merkelige egenskapene til superfluid helium-4 (også kjent som flytende helium II) oppstår på grunn av kvantereglene som styrer symmetrien til bølgefunksjonene til heliumatomer. Elektroner, som er fermioner, kan ikke oppta samme kvantetilstand, men det samme gjelder ikke for helium-4-atomer. Når de er avkjølt til under ca. 2 K, kan et stort antall av atomene oppta den laveste energitilstanden (grunn).

Når dette skjer, danner atomene en supervæske. Supervæsker kan strømme oppover og gjennom svært små åpninger, de leder varme veldig effektivt, og vil ikke koke som konvensjonelle væsker. Weisend forklarer at disse egenskapene gjør helium II ekstremt nyttig for å kjøle ned ting til svært lave temperaturer.

Boken er illustrert med originale tekniske tegninger, noe som gir den et varmt og historisk preg

superflytende begynner på slutten av 19-tallet med kappløpet om å gjøre gasser som oksygen, nitrogen og hydrogen flytende – en rase som skapte det moderne feltet av kryogenikk. Helium viste seg å være en utfordring fordi koketemperaturen på 4.2 K er mye lavere enn andre gasser. Videre ble helium først isolert på jorden i 1895 og var mangelvare frem til 1903, da det ble funnet i naturgass.

Men et gjennombrudd kom i 1908 da den nederlandske fysikeren Heike Kamerlingh Onnes ble den første som gjorde helium flytende. Onnes brukte deretter funnene sine til å kjøle ned forskjellige materialer og måle egenskapene deres, noe som førte til hans oppdagelse av superledning i 1911. Han fikk Nobelprisen i fysikk i 1913 for sitt arbeid med kryogenikk.

stor tenker med ødelagt hode i wireframe polygonal stil

Thomas Kuhn: ny innsikt i en revolusjonerende vitenskapsfilosof

Antydninger til superfluiditet kan ha blitt oppdaget av Onnes da han så bevis på en faseovergang i flytende helium etter hvert som stoffet ble avkjølt. Men til tross for denne innledende eksperimentelle suksessen, forble det vanskelig å gjøre helium flytende til langt ut på 1930-tallet, da superfluid-egenskapen til null viskositet først ble målt. Dette ble gjort av både den sovjetiske fysikeren Piotr Kapitza og uavhengig av de kanadiske forskerne Jack Allen og Don Misener. I et trekk som ikke har blitt tilgitt av noen kanadiske fysikere, inkludert denne anmelderen, ble bare Kapitza tildelt 1978 Nobelprisen i fysikk for oppdagelsen.

En av de mest fascinerende aspektene ved helium II er at mange av dets unike og nyttige egenskaper kan forstås ved hjelp av en relativt enkel modell som beskriver det som å ha superfluid og normal-fluid komponenter. Denne to-væske modellen ble utviklet på slutten av 1930-tallet av tyskfødte Fritz London og ungarske Laszlo Tisza, og den er bemerkelsesverdig god til å forklare hvordan varme og masse overføres av helium II – og Weisend gjør også en god jobb med å beskrive de to. -flytende modell i boken hans.

Den fullstendige kvantemekaniske beskrivelsen av helium II ble utviklet av den sovjetiske teoretiske fysikeren Lev Landau i 1941, som han vant en Nobelpris for i 1962. Weisend beskriver teorien som vanskelig å forstå og forsøker klokt ikke en dyptgående forklaring i sin bok.

Forblir kjølig

Mens fysikere hadde en god forståelse av helium II på 1940-tallet, var det ikke før på 1960-tallet da de unike egenskapene til stoffet begynte å bli utnyttet av forskere og ingeniører – og Weisend bruker mye av superflytende til disse applikasjonene. Han forklarer at de to mest nyttige egenskapene til helium II er dens svært lave temperatur og dens svært høye varmeledning, sistnevnte skyldes et unikt fenomen kalt "intern konveksjon".

Når helium II er i en temperaturgradient, beveger den normale komponenten av væsken seg bort fra det varme området, mens superfluidkomponenten beveger seg mot det. Weisend forklarer at denne prosessen gjør helium II til en utrolig termisk leder – den er nesten 1000 ganger mer effektiv enn kobber til å fjerne varme. En annen fordel med intern konveksjon er at varmen transporteres så raskt at det ikke kan dannes bobler i helium II når det varmes opp, så det er ingen fare for eksplosiv koking.

Til tross for sine merkelige kvanteegenskaper, strømmer helium II gjennom store rør omtrent som en vanlig væske, så det er relativt enkelt å håndtere. Imidlertid kan den supervæske komponenten passere veldig lett gjennom bittesmå porer, mens den normale væsken ikke kan. Resultatet er "fonteneeffekten", som kan brukes til å pumpe helium II uten noen mekaniske midler.

Resultatet er at helium II meget effektivt kan avkjøle et bredt spekter av materialer til temperaturer der de blir superledende. Superledere kan bære store elektriske strømmer uten å varmes opp, og Weisend ser på to svært fruktbare anvendelser av helium II-kjølte superledere i sin bok.

Fra undergrunnen til verdensrommet

Det første som dukket opp var det superledende radiofrekvenshulrommet (SRF), som ble utviklet på 1960-tallet for å akselerere ladede partikler. Et SRF-hulrom er i hovedsak et kammer i et superledende rør som resonerer med et RF-signal. Når RF-energi pumpes inn i hulrommet, dannes et enormt oscillerende elektrisk felt langs røret. Hvis en ladet partikkel introduseres til hulrommet på akkurat rett tidspunkt, vil den akselereres. Faktisk, når flere forskjellige hulrom er koblet sammen, kan svært høye akselerasjoner oppnås.

Helium II kan meget effektivt kjøle et bredt spekter av materialer til temperaturer der de blir superledende

Weisend forklarer hvordan pionerarbeidet med SRFer ble gjort kl Stanford University i USA, hvor Stanford Superconducting Accelerator ble bygget på 1960-tallet. Boken beskriver også hvordan forskere på 1980-tallet bygde Kontinuerlig elektronstråleakselerator (CEBAF) i USA unngikk et akselerasjonsskjema for romtemperatur og tok sjansen på helium II-kjølte SRF-er. På 1990-tallet ble Tera Electron Volt Energy Superledende lineær akselerator (TESLA)-prosjektet ved DESY i Tyskland ledet satsingen på å utvikle SRF-er for en International Linear Collider (ILC), som kan bli en etterfølger til Large Hadron Collider (LHC).

I mellomtiden har mange andre laboratorier tatt i bruk helium II-kjølte SRF-er, inkludert CERN. I tillegg til å kjøle SRF-er ved CERN, kjøles LHCs magneter ved hjelp av helium II. Weisend påpeker at magnetkjølingsteknologien som ble brukt ved CERN og andre laboratorier var banebrytende for en helt annen applikasjon, søken etter å skape kjernefysisk fusjon i et magnetisk avgrenset hydrogenplasma. Dette ble gjort på Tore Supra, som var en fransk tokamak som opererte fra 1988 til 2010 og har siden blitt oppgradert og omdøpt WEST. Tokamak befinner seg ved Cadarache, hvor ITER-fusjonskraftdemonstratoren for tiden bygges med magneter som vil bli avkjølt av vanlig flytende helium, i stedet for helium II.

Superfluid "føles" ut som en varmeledende overflate som omslutter et tomt interiør

En annen superflytende ingeniørbragd som Weisend dekker i detalj er Infrarød astronomisk satellitt (IRAS), som ble skutt opp i 1983 og var den første betydelige bruken av helium II i verdensrommet. Weisend forklarer hvordan IRAS-designere overvant betydelige utfordringer, inkludert å utvikle en måte å lufte ut heliumdamp når den blandes inn med væskeklatter i et miljø med lav tyngdekraft.

IRAS opprettholdt superfluid-kjøling i 300 dager mens de oppdaget mange infrarøde objekter. Suksessen inspirerte fremtidige oppdrag som brukte helium II, inkludert Cosmic Background Explorer (COBE). Dette ble lansert i 1989, og førte til at George Smoot og John Mather ble tildelt Nobelprisen i fysikk i 2006 for å oppdage anisotropien til den kosmiske mikrobølgebakgrunnen.

I tillegg til å se på fortiden og nåtiden til helium II, superflytende ser på fremtiden. Weisend påpeker at helium II-æraen i verdensrommet trolig er over på grunn av utviklingen av mekaniske kjølere som kan nå svært lave temperaturer. Han kommer også kort inn på den andre heliumsuperfluiden, helium-3, og hvordan den kan brukes sammen med helium II for å kjøle ned ting til svært lave temperaturer i et fortynningskjøleskap.

Selv om vi kanskje ikke sender superfluider ut i verdensrommet lenger, gjør Weisend det klart at det er mange fremtidige applikasjoner her på jorden. Helium II-kjølte fusjonskraftverk kan faktisk bidra til å dekarbonisere økonomien, og neste generasjons akseleratorer kan snart gi oss et syn på fysikk utover standardmodellen.