Pod zamotaným nepořádkem trubek, trubek, měřidel, kovových desek, čerpadel a lepicí pásky leží místo chladnější než vesmír. Při práci v tomto prostředí organizovaného chaosu začíná tým Quantum Matter v Cavendishově laboratoři University of Cambridge odhalovat exotické kvantové vlastnosti superchladných materiálů v lednici o velikosti SUV.
Protože lidé mohou snadno vnímat rozdíl mezi teplem a chladem, je teplota charakteristickým rysem vědy, kterou lidé chápou celkem intuitivně. Co však lidé ve skutečnosti zažívají, když rozlišují horkou a studenou, je množství tepelné energie, které systém obsahuje – například zmrzlinový kornout obsahuje méně tepelné energie než mísa horké polévky. A protože tato energie pochází z pohybu atomů a molekul v látce, znamená to, že se molekuly polévky pohybují více než ty ve zmrzlině.
Tým z University of Cambridge však sleduje energii na extrémnější úrovni, když se snaží přiblížit absolutní nule – nejchladnější teplotě, kterou umožňují termodynamické zákony. Absolutní nula, technicky známá jako nula kelvinů, se rovná -273,15 stupňů Celsia nebo -459,67 stupňů Fahrenheita a označuje místo na teploměru, kde systém dosahuje své nejnižší možné energie nebo tepelného pohybu.
Je tu však háček: absolutní nula je nemožné dosáhnout. Důvod má co do činění s množstvím práce potřebné k odstranění tepla z látky, což podstatně zvyšuje chlad, kterým se snažíte jít. K dosažení nulových Kelvinů byste potřebovali nekonečné množství práce. A i kdybyste se tam mohli dostat, kvantová mechanika diktuje, že atomy a molekuly budou mít stále nějaký neredukovatelný pohyb.
Kvantová mechanika také znamená, že čím blíže se tito vědci blíží k absolutní nule, tím podivnější jsou vlastnosti látky. Při dostatečně nízkých teplotách se například kapalné hélium mění na supertekutinu – kapalinu, která proudí bez odporu tření. Ve výsledku může samovolně proudit nahoru a ven z nádoby; prosakovat tenkými prasklinami molekul; zůstaňte při klidu při vysokých rychlostech naprosto v klidu; a – pro fyziky nejpřekvapivější – se spojí do jednoho „super-atomu“, známého jako Bose-Einsteinův kondenzát. Tým Cavendish pracuje kolem 1 až 10 milikelvinů nebo tisícin kelvinu a je v procesu průzkumu rozmanitosti dalších materiálů, které také ukazují funky kvantové chování. A technologie, kterou skupina používá k dosažení tak chladných teplot, je téměř stejně komplikovaná jako chování, které se pokouší vyvolat.
Cesta k absolutní nule začala na počátku 1700, kdy Guillaume Amontons tvrdil, že pokud je teplota mírou tepla v systému, pak musí existovat nejnižší možná teplota. Přesto až o dvě století později si Amontonsova teorie našla své místo v experimentech. Na univerzitě v Leidenu Heike Kamerlingh Onnes a jeho kolegové závodili proti ostatním po celém světě, aby vyvinuli techniky pro zkapalňování hélia. Po mnoha neúspěšných pokusech uspěli a říká Dirk van Delft, ředitel Museum Boerhaave, nizozemský národ l Muzeum dějin vědy a medicíny, „Leiden se krátce stal nejchladnějším místem na Zemi.“
Úspěch společnosti Onnes se nakonec dostavil díky jedné z prvních forem vysoce výkonného chlazení. Stejně jako běžné chladničky funguje i chladicí systém v laboratoři společnosti Onnes a nyní v laboratořích po celém světě v jednom cyklu. Samotný proces ochlazování je podobný tomu, co se stane, když na ochlazení vyfouknete horký šálek kávy. Když osoba fouká, chaotičtější a rychleji se pohybující molekuly kávy jsou povzbuzovány k odpařování, a proto se vzdalují od šálku. Molekuly, které po sobě zůstaly, se v průměru pohybují pomaleji – v důsledku toho je káva mnohem pitnější. Na rozdíl od běžných chladniček, které využívají páry uvnitř chladničky, však Onnes používal k dosažení nízkých teplot helium v plynném stavu a vodík a kyslík v kapalném stavu.
Cyklováním plynného hélia skrz komoru zalitou studeným kapalným vodíkem a vzduchem dosáhla skupina Onnes úspěšně teploty, při které by se ztečelo malé hélium. Přitom se přebytečné teplo z plynného stavu rozptýlilo a systém dosáhl teploty pouze šest
kelvinů nad absolutní nulou – nejbližší pokus své doby. Tento výzkum získal Onnesa Nobelovu cenu v roce 1913. Také náhodou objevil supravodivost, schopnost látky nést elektrický proud bez odporu. Tato vlastnost mimo jiné umožňuje výkonné supravodivé magnety používané v dnešních detektorech MRI a obřích urychlovačích částic.
Nejlepší chladicí systémy na světě jsou dnes založeny na Onnesově původním díle, ale nyní mohou dosáhnout několika milikelvinů s využitím dvou různých izotopů helia. Na rozdíl od většiny kapalin, které v určitém teplotním bodě zmrznou a přemění se na pevnou látku, helium zůstává kapalné až do absolutní nuly. Vzhledem k tomu, že jeho atomy jsou při těchto teplotách tak lehké, je helium slabě přitahováno k dalším atomům helia, takže se zablokuje v neustálém chvění, známém jako pohyb nulového bodu, což je kvantově mechanický efekt definovaný Heisenbergovým principem neurčitosti.
Hélium funguje v podstatě v uzavřené smyčce a působí téměř přesně jako ty neuspořádané molekuly kávy ve vašem hrnečku a při svém oběhu odvádí přebytečné teplo do okolního prostředí. Když izotop helia-3 migruje směrem k izotopu helia-4 v důsledku přitažlivosti a tlakových rozdílů způsobených chladicím zařízením, absorbuje teplo a ochlazuje celý systém až na úroveň milikelvinů.
Laboratoř Cambridge používá tento druh chladničky ke kontrole mnoha různých typů materiálů a vlastností materiálů. Snad nejpřekvapivější z nich je germanid železa, YFe2Ge2. Při nízkých teplotách se tento materiál na bázi železa zkroutí do supravodiče. „Nejúžasnějším objevem je skutečně existence YFe2Ge2 jako supravodiče,“ říká Keiron Murphy, doktorand ze skupiny Cambridge Quantum Matter.
Iron, vysvětluje, obvykle ničí jakékoli supravodivé vlastnosti materiálu , bez ohledu na teplotu, kvůli magnetické povaze železa. Supravodivost má mnoho aplikací ve vědě, medicíně a výpočetní technice a každý nový supravodič může pomoci podporovat novou technologii. Kvůli práci této laboratoře je nyní YFe2Ge2 považován za referenční materiál pro zkoumání supravodivosti ve sloučeninách s podobnou strukturou železa.
Bohužel, říká Murphy, kvantové stavy jsou „ze své podstaty křehké“ a podstatná část zajímavých vlastností, které přirozeně vznikají v některých materiálech, je ohromena vibracemi při vyšších teplotách . “ Skupina Quantum Matter, která pracuje na úrovni přibližně 1 až 10 milikelvinů, může provádět měření při těchto teplotách několik měsíců. Skupina však v současné době pracuje na vývoji další účinnější chladničky, která dokáže tyto nízké teploty udržet déle.
S touto novou lednicí se tým bude dlouhodobě zabývat dalšími materiály na bázi železa při nízkých teplotách a bude pokračovat v práci s materiály známými jako topologické semimetály, jako je ZrSiS. Nízkoteplotní magnetické chování topologických semimetálů je z velké části záhadou, protože jejich vlastnostem dominuje jejich topologie (nebo uspořádání jejích částí), nikoli jejich základní prvky. A tým Cambridge je připraven odhalit jejich záhady, jakmile bude nová lednička funkční.
Podivné fyzikální vlastnosti se daří v extrémních podmínkách nízké teploty a důsledky těchto bizarních vlastností jsou zdánlivě neomezené. ty, které se používají při zřeďovacím chlazení, jsou kritické pro širokou škálu oborů: výzkum gravitačních vln, supravodivost, spintronika, kvantové výpočty a další nové technologie. Při zmírňování vysokoteplotních napětí je práce na absolutní nule zásadní pro pochopení a odhalení mnoha neznámých jak v kvantové mechanice, tak ve fyzice obecně.
„Při těchto teplotách získáváme přístup do světa exotických jevů a materiály, které byly kdysi obyčejné, se stávají mimořádnými,“ říká Murphy.