Superfluidity: den mystiska kvanteffekten som blev en ryggrad i experimentell fysik – Physics World

Superfluidity: den mystiska kvanteffekten som blev en ryggrad i experimentell fysik – Physics World

Tidsstämpel: 14 februari 2024 6:00

Hamish Johnston omdömen Superfluid: How a Quantum Fluid revolutionerade modern vetenskap av John Weisend

<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 märkligt Många av helium II:s egenskaper, inklusive dess extraordinära värmeledningsförmåga, kan beskrivas med en tvåvätskemodell. (Med tillstånd: iStock/3quarks)”> Konstnärens intryck av en supervätska
Super märkligt Många av helium II:s egenskaper, inklusive dess extraordinära värmeledningsförmåga, kan beskrivas med en tvåvätskemodell. (Med tillstånd: iStock/3quarks)

Kvantmekanikens effekter finns runt omkring oss, men materiens kvantegenskaper är i allmänhet bara uppenbara på mikroskopisk nivå. Superfluid helium är ett undantag, och några av dess bisarra egenskaper kan ses med blotta ögat. Som John Weisend – ingenjör vid European Spallation Source och Lunds universitet – förklarar i sin bok supra, har dessa egenskaper gjort detta märkliga ämne till en viktig komponent i många banbrytande teknologier. Långt ifrån att vara en vetenskaplig kuriosa, används superfluid helium av forskare och ingenjörer i flera ton mängder idag.

I sin bok, som jag tyckte om att läsa, utforskar Weisend hur superfluid helium har spelat en viktig roll i några av de viktigaste vetenskapliga genombrotten under de senaste 100 åren. Dessa inkluderar upptäckterna av Higgs-bosonen kl CERN och inhomogeniteterna i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen – som båda ledde till fysiknobelpriser.

Medan supra riktar sig till icke-fysikern, fann jag att det fanns mycket som intresserade mig som någon med bakgrund inom kondenserad materiens fysik. Weisend går faktiskt långt bortom fysiken och ger en tydlig och koncis beskrivning av hur superfluid helium används av ingenjörer i vetenskapliga experiment. Boken är illustrerad med originalritningar, vilket ger den en varm och historisk känsla.

Flytande helium och födelsen av kryogenik

De märkliga egenskaperna hos superfluid helium-4 (även känd som flytande helium II) uppstår på grund av kvantreglerna som styr symmetrin hos heliumatomernas vågfunktioner. Elektroner, som är fermioner, kan inte uppta samma kvanttillstånd, men detsamma gäller inte för helium-4-atomer. När de kyls till under cirka 2 K, kan ett stort antal av atomerna uppta det lägsta energitillståndet (mark).

När detta händer bildar atomerna en supervätska. Supervätskor kan flöda uppför och genom mycket små öppningar, de leder värme mycket effektivt och kommer inte att koka som konventionella vätskor. Weisend förklarar att dessa egenskaper gör helium II extremt användbart för att kyla saker till mycket låga temperaturer.

Boken är illustrerad med originalritningar, vilket ger den en varm och historisk känsla

supra börjar i slutet av 19-talet med kapplöpningen att förvandla gaser som syre, kväve och väte – en ras som skapade det moderna området för kryogenik. Helium visade sig vara en utmaning eftersom dess koktemperatur på 4.2 K är mycket lägre än andra gaser. Dessutom isolerades helium på jorden först 1895 och var en bristvara fram till 1903, då det hittades i naturgas.

Men ett genombrott kom 1908 när den holländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes blev den första att göra helium till flytande form. Onnes använde sedan sina fynd för att kyla olika material och mäta deras egenskaper, vilket ledde till att han upptäckte supraledning 1911. Han fick 1913 års Nobelpris i fysik för sitt arbete med kryogenik.

Antydningar till överfluiditet kan ha upptäckts av Onnes när han såg bevis på en fasövergång i flytande helium när ämnet svalnade. Men trots denna initiala experimentella framgång förblev det svårt att göra helium flytande tills långt in på 1930-talet, när superfluid-egenskapen nollviskositet först mättes. Detta gjordes av både den sovjetiske fysikern Piotr Kapitza och oberoende av de kanadensiska forskarna Jack Allen och Don Misener. I ett drag som inte har förlåtits av vissa kanadensiska fysiker, inklusive denna recensent, tilldelades endast Kapitza 1978 års Nobelpris i fysik för upptäckten.

En av de mest fascinerande aspekterna av helium II är att många av dess unika och användbara egenskaper kan förstås med hjälp av en relativt enkel modell som beskriver det som att det har superfluid och normal-fluid komponenter. Denna tvåvätskemodell utvecklades i slutet av 1930-talet av tyskfödde Fritz London och ungerska Laszlo Tisza, och den är anmärkningsvärt bra på att förklara hur värme och massa överförs av helium II – och Weisend gör också ett bra jobb med att beskriva de två -vätskemodell i sin bok.

Den fullskaliga kvantmekaniska beskrivningen av helium II utvecklades av den sovjetiske teoretiske fysikern Lev Landau 1941, för vilken han fick ett Nobelpris 1962. Weisend beskriver teorin som svår att förstå och försöker inte göra en djupgående förklaring. i sin bok.

Håller sig svalt

Även om fysiker hade en god förståelse för helium II på 1940-talet, var det inte förrän på 1960-talet när ämnets unika egenskaper började utnyttjas av forskare och ingenjörer – och Weisend ägnar mycket av supra till dessa applikationer. Han förklarar att de två mest användbara egenskaperna hos helium II är dess mycket låga temperatur och dess mycket höga värmeledning, det senare beror på ett unikt fenomen som kallas "intern konvektion".

När helium II är i en temperaturgradient, rör sig den normala komponenten av vätskan bort från det varma området, medan den superfluidiska komponenten rör sig mot den. Weisend förklarar att denna process gör helium II till en otrolig värmeledare – den är nästan 1000 gånger effektivare än koppar när det gäller att ta bort värme. En annan fördel med intern konvektion är att värmen transporteras så snabbt att det inte kan bildas bubblor i helium II när det värms upp, så det finns ingen fara för explosiv kokning.

Trots dess konstiga kvantegenskaper flyter helium II genom stora rör ungefär som en vanlig vätska, så det är relativt enkelt att hantera. Den superfluidiska komponenten kan dock passera mycket lätt genom små porer, medan den normala vätskan inte kan. Resultatet är "fontäneffekten", som kan användas för att pumpa helium II utan några mekaniska medel.

Resultatet är att helium II mycket effektivt kan kyla ett brett spektrum av material till temperaturer vid vilka de blir supraledande. Supraledare kan bära stora elektriska strömmar utan att värmas upp, och Weisend tittar på två mycket givande tillämpningar av helium II-kylda supraledare i sin bok.

Från underjorden till yttre rymden

Den första som dök upp var den supraledande radiofrekvenskaviteten (SRF), som utvecklades på 1960-talet för att accelerera laddade partiklar. En SRF-kavitet är i huvudsak en kammare i ett supraledande rör som resonerar med en RF-signal. När RF-energi pumpas in i kaviteten skapas ett enormt oscillerande elektriskt fält längs röret. Om en laddad partikel förs in i håligheten vid precis rätt tidpunkt kommer den att accelereras. När flera olika kaviteter är sammankopplade kan mycket höga accelerationer uppnås.

Helium II kan mycket effektivt kyla ett brett spektrum av material till temperaturer vid vilka de blir supraledande

Weisend förklarar hur pionjärarbetet med SRF:er gjordes kl Stanford University i USA, där Stanford Superconducting Accelerator byggdes på 1960-talet. Boken beskriver också hur, på 1980-talet, forskare byggde Kontinuerlig elektronstråleaccelerator (CEBAF) i USA undvek ett system för acceleration av rumstemperatur och tog en chans på helium II-kylda SRF. På 1990-talet Tera Electron Volt Energy supraledande linjäraccelerator (TESLA)-projekt vid DESY i Tyskland ledde satsningen på att utveckla SRF:er för en International Linear Collider (ILC), som kan bli en efterföljare till Large Hadron Collider (LHC).

Under tiden har många andra labb anammat helium II-kylda SRF, inklusive CERN. Förutom att kyla SRF vid CERN, kyls LHC:s magneter med helium II. Weisend påpekar att magnetkylningstekniken som användes vid CERN och andra laboratorier var banbrytande för en helt annan tillämpning, strävan efter att skapa kärnfusion i en magnetiskt instängd väteplasma. Detta gjordes på Tore Supra, som var en fransk tokamak som verkade från 1988 till 2010 och som sedan dess har uppgraderats och bytt namn VÄSTER. Tokamak ligger vid Cadarache, där ITER-fusionskraftdemonstratorn för närvarande byggs med magneter som kommer att kylas av normalt flytande helium, snarare än helium II.

En annan superfluid ingenjörskonst som Weisend täcker in i detalj är Infraröd astronomisk satellit (IRAS), som lanserades 1983 och var den första betydande användningen av helium II i rymden. Weisend förklarar hur IRAS-designers övervann betydande utmaningar, inklusive att utveckla ett sätt att ventilera heliumånga när den blandas in med vätskeklumpar i en miljö med låg gravitation.

IRAS upprätthöll superfluid kylning i 300 dagar samtidigt som de upptäckte många infraröda objekt. Dess framgång inspirerade framtida uppdrag som använde helium II, inklusive Cosmic Background Explorer (COBE). Detta lanserades 1989 och ledde till att George Smoot och John Mather tilldelades Nobelpriset i fysik 2006 för att de upptäckte anisotropin i den kosmiska mikrovågsbakgrunden.

Förutom att titta på det förflutna och nuet av helium II, supra ser på framtiden. Weisend påpekar att eran av helium II i rymden förmodligen är över på grund av utvecklingen av mekaniska kylare som kan nå mycket låga temperaturer. Han berör också kort den andra heliumsupervätskan, helium-3, och hur den kan användas tillsammans med helium II för att kyla saker till mycket låga temperaturer i ett utspädningskylskåp.

Även om vi kanske inte skjuter upp superfluider i rymden längre, gör Weisend det klart att det finns många framtida tillämpningar här på jorden. Helium II-kylda fusionskraftverk kan faktiskt hjälpa till att minska koldioxidutsläppen i ekonomin och nästa generations acceleratorer kan snart ge oss en syn på fysiken bortom standardmodellen.

  • 2023 Springer 150 sidor 29.99 USD

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden