Сверхтекучесть: загадочный квантовый эффект, ставший основой экспериментальной физики

<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="Супер странно Многие свойства гелия II, включая его исключительную теплопроводность, можно описать с помощью двухжидкостной модели. (Фото предоставлено: iStock/3quarks)»>

Эффекты квантовой механики окружают нас повсюду, но квантовые свойства материи обычно проявляются только на микроскопическом уровне. Сверхтекучий гелий является исключением, и некоторые из его причудливых характеристик можно увидеть невооруженным глазом. Как Джон Вейзенд – инженер в Европейский источник откола и Университет Лунда – объясняет в своей книге СверхтекучийЭти свойства сделали это любопытное вещество важным компонентом многих передовых технологий. Сегодня сверхтекучий гелий не является научной диковинкой и используется исследователями и инженерами в многотонных количествах.

В своей книге, которую я с удовольствием прочитал, Вайзенд исследует, какую важную роль сверхтекучий гелий сыграл в некоторых наиболее важных научных открытиях за последние 100 лет. К ним относятся открытия бозона Хиггса в CERN и неоднородности космического микроволнового фонового излучения – оба из которых привели к Нобелевским премиям по физике.

В то время как Сверхтекучий ориентирована на нефизиков, я обнаружил, что меня, как человека, имеющего опыт работы в области физики конденсированного состояния, может заинтересовать многое. Действительно, Вейзенд выходит далеко за рамки физики и дает четкое и краткое описание того, как сверхтекучий гелий используется инженерами в научных экспериментах. Книга иллюстрирована оригинальными техническими рисунками, что придает ей теплый и исторический оттенок.

Жидкий гелий и рождение криогеники

Странные свойства сверхтекучего гелия-4 (также известного как жидкий гелий II) возникают из-за квантовых правил, управляющих симметрией волновых функций атомов гелия. Электроны, являющиеся фермионами, не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, но это не относится к атомам гелия-4. При охлаждении до температуры ниже 2 К большое количество атомов может занимать состояние с самой низкой энергией (основное).

Когда это происходит, атомы образуют сверхтекучую жидкость. Сверхжидкости могут течь вверх и через очень маленькие отверстия, они очень эффективно проводят тепло и не кипят, как обычные жидкости. Вейзенд объясняет, что эти свойства делают гелий II чрезвычайно полезным для охлаждения веществ до очень низких температур.

Книга иллюстрирована оригинальными техническими рисунками, что придает ей теплую историческую атмосферу.

Сверхтекучий начинается в конце 19-го века с гонки по сжижению газов, таких как кислород, азот и водород – гонки, которая создала современную область криогеники. Гелий оказался непростой задачей, поскольку его температура кипения 4.2 К намного ниже, чем у других газов. Более того, гелий был выделен на Земле только в 1895 году, и его не хватало до 1903 года, когда он был обнаружен в природном газе.

Но прорыв произошел в 1908 году, когда голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес первым сжижал гелий. Затем Оннес использовал свои открытия для охлаждения различных материалов и измерения их свойств, что привело к открытию сверхпроводимости в 1911 году. В 1913 году он получил Нобелевскую премию по физике за свои работы в области криогеники.

Томас Кун: новый взгляд на революционного философа науки

Намеки на сверхтекучесть, возможно, были замечены Оннесом, когда он увидел доказательства фазового перехода в жидком гелии при охлаждении вещества. Но, несмотря на этот первоначальный экспериментальный успех, превратить гелий в жидкость было сложно вплоть до 1930-х годов, когда впервые были измерены свойства сверхтекучести нулевой вязкости. Это сделал как советский физик Петр Капица, так и независимо канадские исследователи Джек Аллен и Дон Мизенер. Некоторые канадские физики, в том числе и этот рецензент, не простили этого шага: только Капица был удостоен Нобелевской премии по физике 1978 года за это открытие.

Одним из наиболее интересных аспектов гелия II является то, что многие из его уникальных и полезных свойств можно понять с помощью относительно простой модели, которая описывает его как сверхтекучий и нормально-жидкий компоненты. Эта двухжидкостная модель была разработана в конце 1930-х годов уроженцем Германии Фрицем Лондоном и венгром Ласло Тисой, и она удивительно хорошо объясняет, как тепло и масса передаются гелием II. -жидкостная модель в его книге.

Полноценное квантово-механическое описание гелия II было разработано советским физиком-теоретиком Львом Ландау в 1941 году, за что он получил Нобелевскую премию в 1962 году. Вейзенд описывает теорию как трудную для понимания и мудро не пытается дать углубленное объяснение. в его книге.

Сохранять хладнокровие

Хотя к 1940-м годам физики хорошо разбирались в гелии II, только в 1960-е годы уникальные свойства этого вещества начали использоваться учеными и инженерами – и Вейзенд посвящает большую часть Сверхтекучий к этим приложениям. Он объясняет, что двумя наиболее полезными особенностями гелия II являются его очень низкая температура и очень высокая теплопроводность, причем последняя обусловлена ​​уникальным явлением, называемым «внутренняя конвекция».

Когда гелий II находится в температурном градиенте, нормальная компонента жидкости удаляется от горячей области, а сверхтекучая — к ней. Вейзенд объясняет, что этот процесс делает гелий II невероятным проводником тепла — он почти в 1000 раз эффективнее меди отводит тепло. Еще одним преимуществом внутренней конвекции является то, что тепло передается так быстро, что в гелии II при нагревании не могут образовываться пузырьки, поэтому нет опасности взрывного кипения.

Несмотря на свои странные квантовые свойства, гелий II течет по большим трубам, как обычная жидкость, поэтому обращаться с ним относительно просто. Однако сверхтекучий компонент может очень легко проходить через крошечные поры, тогда как обычная жидкость не может. Результатом является «эффект фонтана», который можно использовать для накачки гелия II без каких-либо механических средств.

В результате гелий II может очень эффективно охлаждать широкий спектр материалов до температур, при которых они становятся сверхпроводящими. Сверхпроводники могут проводить большие электрические токи, не нагреваясь, и Вейзенд в своей книге рассматривает два очень плодотворных применения сверхпроводников, охлаждаемых гелием II.

Из подземелья в открытый космос

Первым появился сверхпроводящий радиочастотный (СРЧ) резонатор, который был разработан в 1960-х годах для ускорения заряженных частиц. Полость SRF — это, по сути, камера в сверхпроводящей трубке, которая резонирует с радиочастотным сигналом. Когда радиочастотная энергия подается в полость, вдоль трубки создается огромное колеблющееся электрическое поле. Если заряженную частицу ввести в полость в нужный момент, она будет ускорена. Действительно, при соединении нескольких различных полостей можно достичь очень высоких ускорений.

Гелий II может очень эффективно охлаждать широкий спектр материалов до температур, при которых они становятся сверхпроводящими.

Вейзенд объясняет, как новаторская работа над SRF была проведена в Стэнфордский университет в США, где в 1960-х годах был построен Стэнфордский сверхпроводниковый ускоритель. В книге также описывается, как в 1980-е годы ученые создавали Ускоритель непрерывного электронного пучка (CEBAF) в США отказались от схемы ускорения при комнатной температуре и рискнули использовать SRF с гелием II. В 1990-е годы Сверхпроводящий линейный ускоритель с тераэлектрон-вольтовой энергией Проект TESLA в DESY в Германии привел к разработке SRF для Международного линейного коллайдера (ILC), который мог бы стать преемником Большого адронного коллайдера (LHC).

Тем временем многие другие лаборатории внедрили SRF с охлаждением гелием II, включая ЦЕРН. Помимо охлаждения SRF в ЦЕРНе, магниты БАК охлаждаются гелием II. Вейзенд отмечает, что технология магнитного охлаждения, используемая в ЦЕРНе и других лабораториях, была впервые применена для совершенно иного применения — поиска ядерного синтеза в магнитно-удерживаемой водородной плазме. Это было сделано на Tore Supra, французском токамаке, который работал с 1988 по 2010 год и с тех пор был модернизирован и переименован. WEST. Токамак расположен в Кадараше, где в настоящее время строится демонстратор термоядерной энергии ИТЭР с магнитами, которые будут охлаждаться обычным жидким гелием, а не гелием II.

Сверхтекучесть «ощущается» как теплопроводящая поверхность, заключающая в себе пустую внутреннюю часть.

Еще одно достижение сверхтекучей инженерии, о котором подробно рассказывает Вейзенд, — это Инфракрасный астрономический спутник (IRAS), который был запущен в 1983 году и стал первым значительным использованием гелия II в космосе. Вейзенд объясняет, как разработчики IRAS преодолели серьезные проблемы, в том числе разработали способ удаления паров гелия, когда он смешивается с каплями жидкости в среде с низкой гравитацией.

IRAS поддерживал сверхтекучее охлаждение в течение 300 дней, обнаружив при этом множество инфракрасных объектов. Его успех вдохновил будущие миссии, в которых использовался гелий II, в том числе «Исследователь космического фона» (COBE). Это началось в 1989 году и привело к тому, что Джордж Смут и Джон Мэзер были удостоены Нобелевской премии по физике в 2006 году за открытие анизотропии космического микроволнового фона.

Помимо рассмотрения прошлого и настоящего гелия II, Сверхтекучий смотрит в будущее. Вайзенд отмечает, что эра гелия II в космосе, вероятно, закончилась из-за разработки механических охладителей, которые могут достигать очень низких температур. Он также кратко затрагивает другой сверхтекучий гелий, гелий-3, и то, как его можно использовать вместе с гелием II для охлаждения веществ до очень низких температур в рефрижераторе для разбавления.

Хотя мы, возможно, больше не будем запускать сверхтекучие жидкости в космос, Вейзенд ясно дает понять, что здесь, на Земле, есть много будущих применений. Действительно, термоядерные электростанции, охлаждаемые гелием II, могли бы помочь декарбонизировать экономику, а ускорители следующего поколения вскоре могли бы дать нам представление о физике за пределами Стандартной модели.

• Springer 2023, 150 стр., $29.99 за бар.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/