Nadciekłość: tajemniczy efekt kwantowy, który stał się podstawą fizyki eksperymentalnej

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Hamisha Johnstona Opinie Nadciecz: jak płyn kwantowy zrewolucjonizował współczesną naukę przez Johna Weisenda

Artystyczna wizja nadciekłości — **Bardzo dziwne** Wiele właściwości helu II, w tym jego niezwykłą przewodność cieplną, można opisać za pomocą modelu dwóch płynów. (Dzięki uprzejmości: iStock/3quarks)

Skutki mechaniki kwantowej są wszędzie wokół nas, ale właściwości kwantowe materii są na ogół widoczne tylko na poziomie mikroskopowym. Nadciekły hel jest wyjątkiem i niektóre jego dziwaczne właściwości można dostrzec gołym okiem. Jak Johna Weisenda – inżynier w firmie Europejskie Źródło Spalacji i Uniwersytet w Lund – wyjaśnia w swojej książce Nadciekłyte właściwości uczyniły tę ciekawą substancję niezbędnym składnikiem wielu najnowocześniejszych technologii. Nadciekły hel, nie będący naukową ciekawostką, jest obecnie wykorzystywany przez badaczy i inżynierów w ilościach wielotonowych.

W swojej książce, którą z przyjemnością przeczytałem, Weisend bada, jak nadciekły hel odegrał ważną rolę w niektórych z najważniejszych przełomów naukowych ostatnich 100 lat. Należą do nich odkrycia bozonu Higgsa przy CERN oraz niejednorodności kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła – oba te czynniki doprowadziły do nagród Nobla w dziedzinie fizyki.

Kompletujemy wszystkie dokumenty (wymagana jest kopia paszportu i XNUMX zdjęcia) potrzebne do Nadciekły jest skierowana do osób niebędących fizykami, odkryłem, że jest wiele rzeczy, które mogą zainteresować mnie, jako osobę mającą doświadczenie w fizyce materii skondensowanej. Rzeczywiście Weisend wykracza daleko poza fizykę i zapewnia jasny i zwięzły opis sposobu, w jaki nadciekły hel jest wykorzystywany przez inżynierów w eksperymentach naukowych. Książka ilustrowana jest oryginalnymi rysunkami technicznymi, co nadaje jej ciepły i historyczny charakter.

Ciekły hel i narodziny kriogeniki

Dziwne właściwości nadciekłego helu-4 (znanego również jako ciekły hel II) wynikają z zasad kwantowych rządzących symetrią funkcji falowych atomów helu. Elektrony, które są fermionami, nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego, ale to samo nie dotyczy atomów helu-4. Po schłodzeniu do temperatury poniżej około 2 K duża liczba atomów może znajdować się w stanie najniższej energii (podstawowym).

Kiedy tak się dzieje, atomy tworzą nadciecz. Nadciekły mogą przepływać pod górę i przez bardzo małe otwory, bardzo skutecznie przewodzą ciepło i nie wrzą jak konwencjonalne ciecze. Weisend wyjaśnia, że te właściwości sprawiają, że hel II jest niezwykle przydatny do chłodzenia obiektów do bardzo niskich temperatur.

Książka ilustrowana jest oryginalnymi rysunkami technicznymi, co nadaje jej ciepły i historyczny charakter

Nadciekły zaczyna się pod koniec XIX wieku wraz z wyścigiem w celu skraplania gazów, takich jak tlen, azot i wodór – wyścigiem, który stworzył nowoczesną dziedzinę kriogeniki. Hel okazał się wyzwaniem, ponieważ jego temperatura wrzenia wynosząca 19 K jest znacznie niższa niż w przypadku innych gazów. Co więcej, hel wyizolowano na Ziemi dopiero w 4.2 r. i brakowało go aż do 1895 r., kiedy to odkryto go w gazie ziemnym.

Przełom nastąpił jednak w 1908 r., kiedy holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes jako pierwszy dokonał skroplenia helu. Następnie Onnes wykorzystał swoje odkrycia do schładzania różnych materiałów i pomiaru ich właściwości, co doprowadziło do odkrycia nadprzewodnictwa w 1911 r. W 1913 r. otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę w dziedzinie kriogeniki.

wielki myśliciel ze złamaną głową w wielokątnym stylu szkieletowym

Thomas Kuhn: nowe spojrzenie na rewolucyjnego filozofa nauki

Onnes mógł dostrzec ślady nadciekłości, gdy zobaczył dowody przejścia fazowego w ciekłym helu podczas ochładzania substancji. Jednak pomimo tego początkowego sukcesu eksperymentalnego, upłynnienie helu pozostawało trudne aż do lat trzydziestych XX wieku, kiedy po raz pierwszy zmierzono właściwość nadciekłą o zerowej lepkości. Dokonali tego zarówno radziecki fizyk Piotr Kapitza, jak i niezależnie kanadyjscy badacze Jack Allen i Don Misener. Posunięciem, którego nie wybaczyli niektórzy kanadyjscy fizycy, w tym niniejszy recenzent, jedynie Kapitza otrzymał za odkrycie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1930 roku.

Jednym z najbardziej fascynujących aspektów helu II jest to, że wiele jego unikalnych i użytecznych właściwości można zrozumieć za pomocą stosunkowo prostego modelu, który opisuje go jako zawierający składniki nadciekłe i normalnie płynne. Ten model dwóch płynów został opracowany pod koniec lat trzydziestych XX wieku przez urodzonego w Niemczech Fritza Londona i Węgra Laszlo Tiszę i niezwykle dobrze wyjaśnia, w jaki sposób ciepło i masa są przenoszone przez hel II – a Weisend również świetnie się spisał, opisując oba -płynny model w swojej książce.

Pełny kwantowo-mechaniczny opis helu II został opracowany przez radzieckiego fizyka teoretycznego Lwa Landaua w 1941 r., za co w 1962 r. otrzymał nagrodę Nobla. Weisend opisuje tę teorię jako trudną do zrozumienia i mądrze nie podejmuje próby jej dogłębnego wyjaśnienia w swojej książce.

Zachowanie spokoju

Chociaż fizycy dobrze rozumieli hel II już w latach czterdziestych XX wieku, dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku naukowcy i inżynierowie zaczęli wykorzystywać unikalne właściwości tej substancji – a Weisend poświęca dużą część swojej pracy Nadciekły do tych aplikacji. Wyjaśnia, że dwie najbardziej przydatne cechy helu II to jego bardzo niska temperatura i bardzo wysokie przewodnictwo cieplne, przy czym to drugie wynika z unikalnego zjawiska zwanego „konwekcją wewnętrzną”.

Kiedy hel II znajduje się w gradiencie temperatury, normalny składnik płynu oddala się od gorącego obszaru, podczas gdy składnik nadciekły przemieszcza się w jego stronę. Weisend wyjaśnia, że dzięki temu procesowi hel II jest niesamowitym przewodnikiem ciepła – jest prawie 1000 razy skuteczniejszy w usuwaniu ciepła niż miedź. Kolejną zaletą konwekcji wewnętrznej jest to, że ciepło jest transportowane tak szybko, że w helu II podczas ogrzewania nie mogą tworzyć się pęcherzyki, więc nie ma niebezpieczeństwa wybuchowego wrzenia.

Pomimo swoich dziwnych właściwości kwantowych, hel II przepływa przez duże rury podobnie jak normalny płyn, więc jest stosunkowo łatwy w obsłudze. Jednakże składnik nadciekły może bardzo łatwo przedostać się przez małe pory, podczas gdy zwykły płyn nie. Rezultatem jest „efekt fontanny”, który można wykorzystać do pompowania helu II bez użycia jakichkolwiek środków mechanicznych.

W rezultacie hel II może bardzo skutecznie chłodzić szeroką gamę materiałów do temperatur, w których stają się one nadprzewodzące. Nadprzewodniki mogą przenosić duże prądy elektryczne bez nagrzewania się, a Weisend w swojej książce przygląda się dwóm bardzo owocnym zastosowaniom nadprzewodników chłodzonych helem II.

Z podziemia do kosmosu

Jako pierwsza pojawiła się nadprzewodząca wnęka o częstotliwości radiowej (SRF), którą opracowano w latach 1960. XX wieku w celu przyspieszania naładowanych cząstek. Wnęka SRF to zasadniczo komora w rurze nadprzewodzącej, która rezonuje z sygnałem RF. Gdy energia RF jest pompowana do wnęki, wzdłuż rurki powstaje ogromne oscylujące pole elektryczne. Jeśli naładowana cząstka zostanie wprowadzona do wnęki w odpowiednim momencie, zostanie przyspieszona. Rzeczywiście, gdy połączonych jest kilka różnych wnęk, można osiągnąć bardzo duże przyspieszenia.

Hel II może bardzo skutecznie chłodzić szeroką gamę materiałów do temperatur, w których stają się one nadprzewodzące

Weisend wyjaśnia, jak prowadzono pionierskie prace nad SRF Stanford University w USA, gdzie w latach 1960. XX wieku zbudowano akcelerator nadprzewodzący Stanforda. Książka opisuje także, jak w latach 1980. XX wieku naukowcy budujący tzw Ciągły akcelerator wiązki elektronów (CEBAF) w USA zrezygnowała ze schematu przyspieszania w temperaturze pokojowej i zaryzykowała zastosowanie SRF chłodzonych helem II. W latach 1990 Nadprzewodzący akcelerator liniowy Tera Electron Volt Energy (TESLA) w DESY w Niemczech stał się impulsem do opracowania układów SRF dla Międzynarodowego Zderzacza Liniowego (ILC), który mógłby być następcą Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC).

W międzyczasie wiele innych laboratoriów, w tym CERN, zaczęło wykorzystywać SRF chłodzone helem II. Oprócz chłodzenia SRF w CERN, magnesy LHC są schładzane przy użyciu helu II. Weisend zwraca uwagę, że technologia chłodzenia magnesów stosowana w CERN i innych laboratoriach była pionierska w zupełnie innym zastosowaniu – w dążeniu do syntezy jądrowej w magnetycznie ograniczonej plazmie wodorowej. Dokonano tego w Tore Supra, francuskim tokamaku, który działał od 1988 do 2010 roku i od tego czasu został zmodernizowany i przemianowano go na ZACHÓD. Tokamak znajduje się w Cadarache, gdzie obecnie budowany jest demonstrator mocy termojądrowej ITER z magnesami chłodzonymi zwykłym ciekłym helem, a nie helem II.

Nadciekłość „w dotyku” przypomina powierzchnię przewodzącą ciepło otaczającą puste wnętrze

Kolejnym osiągnięciem inżynierii nadciekłej, które szczegółowo omawia Weisend, jest Satelita astronomiczny na podczerwień (IRAS), który został wystrzelony w 1983 r. i był pierwszym znaczącym zastosowaniem helu II w przestrzeni kosmicznej. Weisend wyjaśnia, w jaki sposób projektanci IRAS pokonali znaczące wyzwania, w tym opracowanie sposobu odprowadzania oparów helu zmieszanych z kropelkami cieczy w środowisku o niskiej grawitacji.

IRAS utrzymywał chłodzenie nadciekłe przez 300 dni, odkrywając jednocześnie wiele obiektów w podczerwieni. Jego sukces zainspirował przyszłe misje wykorzystujące hel II, w tym Kosmiczny Eksplorator Tła (COBE). Rozpoczęło się to w 1989 r., a w 2006 r. George Smoot i John Mather otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie anizotropii kosmicznego mikrofalowego tła.

Oprócz przyglądania się przeszłości i teraźniejszości helu II, Nadciekły patrzy w przyszłość. Weisend zwraca uwagę, że era helu II w kosmosie prawdopodobnie dobiegła końca ze względu na rozwój mechanicznych chłodnic, które mogą osiągać bardzo niskie temperatury. Porusza także krótko temat innego nadciekłego helu, helu-3, i tego, jak można go używać razem z helem II do schładzania obiektów do bardzo niskich temperatur w lodówce rozcieńczającej.

Chociaż być może nie będziemy już wysyłać nadciekłych w przestrzeń kosmiczną, Weisend wyjaśnia, że na Ziemi istnieje wiele przyszłych zastosowań. Rzeczywiście, elektrownie termojądrowe chłodzone helem II mogą pomóc w dekarbonizacji gospodarki, a akceleratory nowej generacji mogą wkrótce zapewnić nam spojrzenie na fizykę wykraczające poza Model Standardowy.