Superfluiditate: Efectul cuantic misterios care a devenit coloana vertebrală a fizicii experimentale

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Hamish Johnston comentarii Superfluid: Cum un fluid cuantic a revoluționat știința modernă de John Weisend

Impresia artistică a unui superfluid — **Super ciudat** Multe dintre proprietățile heliului II, inclusiv conductivitatea sa termică extraordinară, pot fi descrise folosind un model cu două fluide. (Cu amabilitatea: iStock/3quarks)

Efectele mecanicii cuantice sunt peste tot în jurul nostru, dar proprietățile cuantice ale materiei sunt, în general, evidente doar la nivel microscopic. Heliul superfluid este o excepție, iar unele dintre caracteristicile sale bizare pot fi văzute cu ochiul liber. La fel de John Weisend – un inginer la Sursa Europeană de Spalare și Universitatea Lund – explică în cartea sa superfluid, aceste proprietăți au făcut din această substanță curioasă o componentă esențială a multor tehnologii de ultimă oră. Departe de a fi o curiozitate științifică, heliul superfluid este folosit astăzi de cercetători și ingineri în cantități de mai multe tone.

În cartea sa, pe care mi-a plăcut să o citesc, Weisend explorează modul în care heliul superfluid a jucat un rol important în unele dintre cele mai importante descoperiri științifice din ultimii 100 de ani. Acestea includ descoperirile bosonului Higgs la CERN și neomogenitățile în radiația cosmică de fond cu microunde – ambele au dus la premii Nobel pentru fizică.

In timp ce superfluid se adresează non-fizicianului, am constatat că sunt multe care să mă intereseze ca cineva cu experiență în fizica materiei condensate. Într-adevăr, Weisend merge dincolo de fizică și oferă o descriere clară și concisă a modului în care heliul superfluid este utilizat de ingineri în experimentele științifice. Cartea este ilustrată folosind desene tehnice originale, ceea ce îi conferă o senzație caldă și istorică.

Heliul lichid și nașterea criogeniei

Proprietățile ciudate ale superfluidului heliu-4 (cunoscut și sub numele de heliu lichid II) apar din cauza regulilor cuantice care guvernează simetria funcțiilor de undă ale atomilor de heliu. Electronii, care sunt fermioni, nu pot ocupa aceeași stare cuantică, dar nu același lucru este valabil și pentru atomii de heliu-4. Când este răcit sub aproximativ 2 K, un număr mare de atomi poate ocupa cea mai mică energie (de bază).

Când se întâmplă acest lucru, atomii formează un superfluid. Superfluidele pot curge în sus și prin deschideri foarte mici, conduc căldura foarte eficient și nu vor fierbe ca lichidele convenționale. Weisend explică că aceste proprietăți fac heliul II extrem de util pentru răcirea lucrurilor la temperaturi foarte scăzute.

Cartea este ilustrată folosind desene tehnice originale, ceea ce îi conferă o senzație caldă și istorică

superfluid începe la sfârșitul secolului al XIX-lea cu cursa de a lichefia gaze precum oxigenul, azotul și hidrogenul – o cursă care a creat domeniul modern al criogeniei. Heliul s-a dovedit a fi o provocare deoarece temperatura sa de fierbere de 19 K este mult mai mică decât alte gaze. În plus, heliul a fost izolat pe Pământ abia în 4.2 și a fost insuficient până în 1895, când a fost găsit în gazul natural.

Dar o descoperire a avut loc în 1908, când fizicianul olandez Heike Kamerlingh Onnes a devenit primul care a lichefiat heliul. Onnes și-a folosit apoi descoperirile pentru a răci diferite materiale și a măsura proprietățile lor, ceea ce a condus la descoperirea supraconductivității în 1911. A câștigat Premiul Nobel pentru Fizică în 1913 pentru munca sa în criogenie.

mare gânditor cu capul rupt în stil poligonal cu cadru sârmă

Thomas Kuhn: noi perspective asupra unui filozof revoluționar al științei

S-ar putea să fi observat indicii de suprafluiditate de către Onnes când a văzut dovezi ale unei tranziții de fază în heliul lichid pe măsură ce substanța se răcea. Dar, în ciuda acestui succes experimental inițial, a rămas dificil să se lichefieze heliul până în anii 1930, când a fost măsurată pentru prima dată proprietatea superfluidului de viscozitate zero. Acest lucru a fost făcut atât de fizicianul sovietic Piotr Kapitza, cât și independent de cercetătorii canadieni Jack Allen și Don Misener. Într-o mișcare care nu a fost iertată de unii fizicieni canadieni, inclusiv de acest recenzent, doar Kapitza a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1978 pentru descoperire.

Unul dintre cele mai fascinante aspecte ale heliului II este că multe dintre proprietățile sale unice și utile pot fi înțelese folosind un model relativ simplu care îl descrie ca având componente superfluide și fluide normale. Acest model cu două fluide a fost dezvoltat la sfârșitul anilor 1930 de către germanul Fritz London și maghiarul Laszlo Tisza și este remarcabil de bun în a explica modul în care căldura și masa sunt transferate de heliul II - iar Weisend face, de asemenea, o treabă grozavă în a descrie cele două -model fluid din cartea sa.

Descrierea completă mecanică cuantică a heliului II a fost dezvoltată de fizicianul teoretician sovietic Lev Landau în 1941, pentru care a obținut un premiu Nobel în 1962. Weisend descrie teoria ca fiind dificil de înțeles și nu încearcă cu înțelepciune o explicație aprofundată. în cartea lui.

Păstrând rece

În timp ce fizicienii aveau o bună înțelegere a heliului II până în anii 1940, abia în anii 1960, proprietățile unice ale substanței au început să fie exploatate de oameni de știință și ingineri – iar Weisend dedică o mare parte din superfluid la aceste aplicații. El explică că cele mai utile două caracteristici ale heliului II sunt temperatura sa foarte scăzută și conducția termică foarte mare, aceasta din urmă datorându-se unui fenomen unic numit „convecție internă”.

Când heliul II se află într-un gradient de temperatură, componenta normală a fluidului se îndepărtează de regiunea fierbinte, în timp ce componenta superfluid se deplasează spre aceasta. Weisend explică că acest proces face din heliul II un conductor termic incredibil - este de aproape 1000 de ori mai eficient decât cuprul la îndepărtarea căldurii. Un alt beneficiu al convecției interne este că căldura este transportată atât de repede încât nu se pot forma bule în heliul II pe măsură ce se încălzește, astfel încât nu există pericolul de fierbere explozivă.

În ciuda proprietăților sale cuantice ciudate, heliul II curge prin țevi mari la fel ca un fluid normal, deci este relativ ușor de manevrat. Cu toate acestea, componenta superfluid poate trece foarte ușor prin porii mici, în timp ce fluidul normal nu poate. Rezultatul este „efectul de fântână”, care poate fi folosit pentru a pompa heliu II fără niciun mijloc mecanic.

Rezultatul este că heliul II poate răci foarte eficient o gamă largă de materiale la temperaturi la care devin supraconductoare. Supraconductorii pot transporta curenți electrici mari fără a se încălzi, iar Weisend analizează în cartea sa două aplicații foarte fructuoase ale supraconductoarelor răcite cu heliu II.

Din subteran în spațiul cosmic

Prima care a apărut a fost cavitatea supraconductoare de radiofrecvență (SRF), care a fost dezvoltată în anii 1960 pentru a accelera particulele încărcate. O cavitate SRF este în esență o cameră dintr-un tub supraconductor care rezonează cu un semnal RF. Pe măsură ce energia RF este pompată în cavitate, de-a lungul tubului se creează un câmp electric oscilant imens. Dacă o particulă încărcată este introdusă în cavitate la momentul potrivit, aceasta va fi accelerată. Într-adevăr, atunci când mai multe cavități diferite sunt conectate, se pot obține accelerații foarte mari.

Heliul II poate răci foarte eficient o gamă largă de materiale la temperaturi la care devin supraconductoare

Weisend explică cum s-a realizat munca de pionierat privind SRF-urile la Universitatea Stanford în SUA, unde a fost construit acceleratorul supraconductor Stanford în anii 1960. Cartea descrie, de asemenea, modul în care, în anii 1980, oamenii de știință construiau Facilitatea de accelerare a fasciculului de electroni continuu (CEBAF) din SUA a evitat o schemă de accelerare la temperatura camerei și a riscat cu SRF-urile răcite cu heliu II. În anii 1990, Tera Electron Volt Energy Superconductor Linear Accelerator (TESLA) de la DESY din Germania a condus eforturile de a dezvolta SRF-uri pentru un International Linear Collider (ILC), care ar putea fi un succesor al Large Hadron Collider (LHC).

Între timp, multe alte laboratoare au adoptat SRF-uri răcite cu heliu II, inclusiv CERN. Pe lângă răcirea SRF-urilor la CERN, magneții LHC sunt răciți folosind heliu II. Weisend subliniază că tehnologia de răcire cu magnet utilizată la CERN și la alte laboratoare a fost inițiată pentru o aplicație foarte diferită, încercarea de a crea fuziune nucleară într-o plasmă de hidrogen închisă magnetic. Acest lucru a fost făcut la Tore Supra, care a fost un tokamak francez care a funcționat din 1988 până în 2010 și de atunci a fost modernizat și redenumit. WEST. Tokamak-ul este situat la Cadarache, unde demonstratorul de putere de fuziune ITER este în prezent construit cu magneți care vor fi răciți cu heliu lichid normal, mai degrabă decât cu heliu II.

Superfluid „se simte” ca o suprafață conducătoare de căldură care înconjoară un interior gol

O altă lucrare de inginerie superfluid pe care Weisend o acoperă în detaliu este Satelit astronomic în infraroșu (IRAS), care a fost lansat în 1983 și a fost prima utilizare semnificativă a heliului II în spațiu. Weisend explică modul în care designerii IRAS au depășit provocările semnificative, inclusiv dezvoltarea unei modalități de a evacua vaporii de heliu atunci când sunt amestecați cu stropi de lichid într-un mediu cu gravitate scăzută.

IRAS a menținut răcirea superfluid timp de 300 de zile în timp ce a descoperit multe obiecte în infraroșu. Succesul său a inspirat misiuni viitoare care au folosit heliu II, inclusiv Cosmic Background Explorer (COBE). Aceasta a fost lansată în 1989 și i-a determinat pe George Smoot și John Mather să primească Premiul Nobel pentru Fizică în 2006 pentru descoperirea anizotropiei fondului cosmic cu microunde.

Pe lângă faptul că privim trecutul și prezentul heliului II, superfluid priveste spre viitor. Weisend subliniază că era heliului II în spațiu s-a încheiat probabil din cauza dezvoltării răcitorilor mecanici care pot atinge temperaturi foarte scăzute. El abordează, de asemenea, pe scurt, celălalt superfluid cu heliu, heliul-3, și cum poate fi folosit împreună cu heliul II pentru a răci lucrurile la temperaturi foarte scăzute într-un frigider cu diluție.

Deși este posibil să nu mai lansăm superfluide în spațiu, Weisend arată clar că există multe aplicații viitoare aici pe Pământ. Într-adevăr, centralele electrice de fuziune răcite cu heliu II ar putea ajuta la decarbonizarea economiei, iar acceleratoarele de generație următoare ne-ar putea oferi în curând o viziune asupra fizicii dincolo de Modelul standard.