超流动性：成为实验物理学支柱的神秘量子效应

由柏拉图重新发布

关注： 0

哈米什·约翰斯顿 评论 超流体：量子流体如何彻底改变现代科学 作者：约翰·韦森德

艺术家对超流体的想象 — **超级奇怪** 氦 II 的许多特性，包括其非凡的导热性，都可以使用双流体模型来描述。（由 iStock/3quarks 提供）

量子力学的影响无处不在，但物质的量子特性通常只在微观层面上显现出来。超流氦是一个例外，它的一些奇异特性可以用肉眼看到。作为约翰·韦森德 – 一名工程师欧洲散裂源和隆德大学 – 在他的书中解释道超流，这些特性使这种奇怪的物质成为许多尖端技术的重要组成部分。超流氦远非科学上的好奇心，如今研究人员和工程师使用的数量已达数吨。

在我很喜欢读的书中，Weisend 探讨了超流氦如何在过去 100 年的一些最重要的科学突破中发挥了重要作用。其中包括希格斯玻色子的发现欧洲核子研究中心以及宇宙微波背景辐射的不均匀性——这两者都导致了诺贝尔物理学奖。

而超流面向非物理学家，我发现作为一个有凝聚态物理学背景的人，有很多东西让我感兴趣。事实上，韦森德远远超出了物理学的范畴，他对工程师如何在科学实验中使用超流氦进行了清晰而简洁的描述。这本书使用原始技术图纸进行插图，给人一种温暖和历史的感觉。

液氦和低温学的诞生

超流氦 4（也称为液氦 II）的奇怪性质是由于控制氦原子波函数对称性的量子规则而产生的。电子（即费米子）不能占据相同的量子态，但氦 4 原子则不然。当冷却至约 2 K 以下时，大量原子可以占据最低能量（基态）状态。

当这种情况发生时，原子形成超流体。超流体可以向上流动并通过非常小的开口，它们非常有效地传导热量，并且不会像传统液体那样沸腾。 Weisend 解释说，这些特性使得氦 II 对于将物体冷却到极低的温度非常有用。

这本书使用原始技术图纸进行插图，给人一种温暖和历史的感觉

超流这场竞赛始于 19 世纪末液化氧气、氮气和氢气等气体的竞赛，这场竞赛开创了现代低温学领域。氦气被证明是一个挑战，因为它的沸点为 4.2 K，远低于其他气体。此外，直到 1895 年，氦才在地球上被分离出来，直到 1903 年在天然气中发现氦为止，一直供不应求。

但 1908 年，荷兰物理学家 Heike Kamerlingh Onnes 成为第一个液化氦气的人，取得了突破。随后，昂内斯利用他的发现来冷却各种材料并测量它们的特性，从而在 1911 年发现了超导性。他因其在低温学方面的工作而获得了 1913 年诺贝尔物理学奖。

当昂内斯看到液氦在冷却时发生相变的证据时，他可能发现了超流动性的迹象。但尽管最初的实验取得了成功，液化氦气仍然很困难，直到 1930 世纪 1978 年代首次测量了零粘度的超流体特性。这是由苏联物理学家 Piotr Kapitza 以及加拿大研究人员 Jack Allen 和 Don Misener 独立完成的。包括本评论家在内的一些加拿大物理学家并没有原谅这一举动，只有卡皮查因这一发现而获得了 XNUMX 年诺贝尔物理学奖。

氦 II 最令人着迷的方面之一是，它的许多独特且有用的特性可以使用一个相对简单的模型来理解，该模型将其描述为具有超流体和正常流体成分。这种双流体模型是由德国出生的 Fritz London 和匈牙利人 Laszlo Tisza 在 1930 年代末开发的，它非常擅长解释氦 II 是如何传递热量和质量的 - Weisend 也很好地描述了这两种流体-他书中的流体模型。

苏联理论物理学家列夫·兰道 (Lev Landau) 于 1941 年对氦 II 进行了全面的量子力学描述，并因此获得了 1962 年诺贝尔奖。韦森德称该理论难以理解，因此明智地没有尝试深入解释在他的书中。

保持冷静

虽然物理学家在 1940 世纪 1960 年代对氦 II 有了很好的了解，但直到 XNUMX 年代，这种物质的独特性质才开始被科学家和工程师利用——韦森德投入了大量精力超流到这些应用程序。他解释说，氦 II 的两个最有用的特性是其非常低的温度和非常高的热传导性，后者是由于一种称为“内部对流”的独特现象而产生的。

当氦 II 处于温度梯度时，流体的法向成分远离热区域，而超流体成分则朝热区域移动。 Weisend 解释说，这一过程使氦 II 成为令人难以置信的热导体 - 它的散热效率比铜高近 1000 倍。内部对流的另一个好处是热量传输非常快，氦 II 升温时不会形成气泡，因此不存在爆炸沸腾的危险。

尽管氦 II 具有奇怪的量子特性，但它像普通流体一样流经大型管道，因此处理起来相对简单。然而，超流体成分可以很容易地通过微小的孔隙，而普通流体却不能。其结果是“喷泉效应”，无需任何机械手段即可泵送氦 II。

结果是氦 II 可以非常有效地将多种材料冷却到它们变得超导的温度。超导体可以在不升温的情况下承载大电流，韦森德在他的书中研究了氦 II 冷却超导体的两个非常富有成效的应用。

从地下到外太空

第一个出现的是超导射频 (SRF) 腔，它是在 1960 世纪 XNUMX 年代开发的，用于加速带电粒子。 SRF 腔本质上是超导管中与射频信号谐振的腔室。当射频能量被泵入腔体时，沿着管子会产生巨大的振荡电场。如果带电粒子在适当的时间被引入腔体，它就会被加速。事实上，当几个不同的腔体连接时，可以实现非常高的加速度。

氦 II 可以非常有效地将多种材料冷却至超导温度

Weisend 解释了 SRF 的开创性工作是如何完成的斯坦福大学美国斯坦福超导加速器于 1960 世纪 1980 年代建成。该书还描述了 XNUMX 世纪 XNUMX 年代科学家如何构建连续电子束加速器设施美国的 CEBAF（CEBAF）避开了室温加速方案，并在氦 II 冷却 SRF 上冒险。在 1990 世纪 XNUMX 年代，太电子伏特能量超导直线加速器德国 DESY 的 TESLA 项目主导了国际直线对撞机 (ILC) 开发 SRF 的工作，该项目可能是大型强子对撞机 (LHC) 的后继产品。

在此期间，包括 CERN 在内的许多其他实验室也采用了氦 II 冷却 SRF。除了冷却 CERN 的 SRF 之外，大型强子对撞机的磁体也使用氦 II 进行冷却。韦森德指出，欧洲核子研究中心和其他实验室使用的磁体冷却技术是针对一个非常不同的应用而开发的，即寻求在磁约束氢等离子体中产生核聚变。这是在 Tore Supra 完成的，这是一座法国托卡马克装置，于 1988 年至 2010 年运行，此后已升级并更名为西。托卡马克装置位于卡达拉切，目前正在那里建造 ITER 聚变动力演示器，其磁体将通过普通液氦而不是氦 II 进行冷却。

超流体“感觉”就像一个封闭空内部的导热表面

韦森德详细介绍的另一项超流体工程壮举是红外天文卫星 (IRAS)，于 1983 年发射，是氦 II 在太空中的首次重要使用。 Weisend 解释了 IRAS 设计人员如何克服重大挑战，包括开发一种在低重力环境中与液体斑点混合时排出氦蒸气的方法。

IRAS 保持超流体冷却 300 天，同时发现了许多红外物体。它的成功启发了未来使用氦 II 的任务，包括宇宙背景探测器 (COBE)。该项目于 1989 年发射，乔治·斯穆特 (George Smoot) 和约翰·马瑟 (John Mather) 因发现宇宙微波背景的各向异性而获得 2006 年诺贝尔物理学奖。

除了回顾氦二号的过去和现在，超流展望未来。韦森德指出，由于可以达到极低温度的机械冷却器的发展，太空中氦 II 的时代可能已经结束。他还简要介绍了另一种氦超流体 helium-3，以及如何将其与氦 II 一起使用，在稀释冰箱中将物体冷却至极低的温度。

虽然我们可能不再向太空发射超流体，但韦森德明确表示，未来在地球上有许多应用。事实上，氦 II 冷却聚变发电厂可以帮助经济脱碳，而下一代加速器可以很快让我们看到超越标准模型的物理学观点。