Under et sammenfiltret rod af rør, rør, målere, metalplader, pumper og kanaltape ligger et sted koldere end det ydre rum. I dette miljø med organiseret kaos arbejder Quantum Matter-teamet ved University of Cambridge’s Cavendish Laboratory med at afsløre de eksotiske kvanteegenskaber ved superkoldt materiale i et køleskab på størrelse med en SUV.
Fordi mennesker let kan opfatte forskellen mellem varmt og koldt, er temperatur et videnskabeligt træk, som folk har et ret intuitivt greb om. Men hvad folk faktisk oplever, når de skelner mellem varmt og koldt, er mængden af termisk energi, som et system indeholder – en iskegle indeholder f.eks. Mindre termisk energi end en skål varm suppe. Og fordi denne energi kommer fra atomer og molekylers bevægelse inden i et stof, betyder det, at suppemolekylerne bevæger sig mere end dem i isen.
Holdet ved University of Cambridge overvåger imidlertid energi på et mere ekstremt niveau, når de forsøger at nærme sig absolut nul – den koldeste temperatur, der er tilladt i termodynamikens love. Absolut nul, teknisk kendt som nul kelvin, er lig med -273,15 grader Celsius eller -459,67 Fahrenheit og markerer stedet på termometeret, hvor et system når sin lavest mulige energi eller termiske bevægelse.
Der er dog en fangst: absolut nul er umuligt at nå. Årsagen har at gøre med den nødvendige mængde arbejde for at fjerne varmen fra et stof, hvilket øges væsentligt, jo koldere du prøver at gå. For at nå nul kelvin ville du kræve en uendelig mængde arbejde. Og selvom du kunne komme dertil, dikterer kvantemekanikken, at atomer og molekyler stadig ville have en irreducerbar bevægelse.
Kvantemekanik betyder også, at jo tættere disse forskere kryber mod absolut nul, desto mærkeligere bliver stoffets egenskaber. Ved lave nok temperaturer omdannes for eksempel flydende helium til en superfluid – en væske, der flyder uden modstand mod friktion. Som et resultat kan det spontant strømme opad og ud af en container; sive igennem molekyltynde revner; forblive helt stille, mens du drejer ved høje hastigheder; og – mest overraskende for fysikere – smelter sammen til et “superatom”, kendt som et Bose-Einstein-kondensat. Arbejder på omkring 1 til 10 millikelviner eller tusindedele af en kelvin, Cavendish-teamet er i færd med at undersøge en række af andre materialer, der også viser funky kvanteopførsel. Og den teknologi, som gruppen bruger til at nå sådanne kølige temperaturer, er næsten lige så kompliceret som den adfærd, den forsøger at fremkalde.
Rejsen mod absolut nul begyndte tidligt 1700-tallet, da Guillaume Amontons hævdede, at hvis temperaturen er et mål for varmen i et system, så skal der være en lavest mulig temperatur. Alligevel var det først to århundreder senere, at Amontons ‘teori ville finde sin plads i eksperimentering. På Leiden University, Heike Kamerlingh Onnes og hans kolleger kørte mod andre rundt om i verden for at udvikle teknikker til at flyde helium. Efter mange mislykkede forsøg lykkedes det, og siger Dirk van Delft, direktør for Museum Boerhaave, den hollandske Nationa l Museum for videnskab og medicin, “Leiden blev kort tid det koldeste sted på jorden.”
Onnes succes kom til sidst takket være en af de tidligste former for kraftig køling. Ligesom hverdagskøleskabe fungerer kølesystemet i Onnes ‘laboratorium og nu laboratorier rundt om i verden i en cyklus. Køleprocessen i sig selv svarer til hvad der sker, når du blæser på varm kop kaffe for at afkøle den. Når personen blæser, opfordres de mere kaotiske, hurtigere bevægende kaffemolekyler til at fordampe og derfor bevæge sig væk fra koppen. De efterladte molekyler bevæger sig i gennemsnit langsommere – hvilket gør kaffen til en mere drikkelig temperatur. I modsætning til hverdagskøleskabe, der bruger damp indefra køleskabet, brugte Onnes dog helium i gastilstand og brint og ilt i flydende tilstand for at opnå lave temperaturer.
Ved at cykle luftformigt helium gennem et kammer badet i koldt flydende brint og luft nåede Onnes ‘gruppe med succes en temperatur, hvor en lille tekop med Helium kunne flyde. Dermed forsvandt den overskydende varme fra den gasformige tilstand, og systemet opnåede en temperatur på kun seks
kelvin over absolut nul – det nærmeste forsøg på sin tid. Denne forskning vandt Onnes Nobelprisen i 1913. Han opdagede også ved et uheld superledningsevne, et stofs evne til at bære elektrisk strøm uden modstand. Denne egenskab muliggør blandt andet de kraftige superledende magneter, der bruges i nutidens MR-detektorer og kæmpe partikelacceleratorer.
De bedste kølesystemer i verden i dag er baseret på Onnes ‘originale arbejde, men de kan nu nå nogle få millikelviner ved hjælp af to forskellige isotoper af helium. I modsætning til de fleste væsker, der fryser og bliver til et fast stof ved et eller andet temperaturpunkt, forbliver helium flydende helt ned til absolut nul. Fordi dets atomer er så lette ved disse temperaturer, trækkes helium svagt til andre heliumatomer, så de bliver låst i en vedvarende jiggle, kendt som nulpunktsbevægelse, en kvantemekanisk effekt defineret af Heisenbergs usikkerhedsprincip.
Drift i hvad der i det væsentlige er en lukket sløjfe, fungerer helium næsten nøjagtigt som de uordnede kaffemolekyler i dit krus og spreder overskydende varme til miljøet, når det cirkulerer. Når helium-3-isotopen migrerer mod helium-4-isotopen som et resultat af tiltrækning og trykforskelle forårsaget af køleskabsapparatet, absorberer den varme og afkøler hele systemet ned til millikelvin-niveauet.
Cambridge lab bruger denne type køleskab til at inspicere mange forskellige typer materialer og materialegenskaber. Måske er den mest overraskende af dem jerngermanid, YFe2Ge2. Ved lave temperaturer forvrænges dette jernbaserede materiale til en superleder. “Den mest overraskende opdagelse er virkelig YFe2Ge2s eksistens som superleder overhovedet,” siger Keiron Murphy, en ph.d.-studerende i Cambridge Quantum Matter-gruppen.
Jern, forklarer han, ødelægger typisk alle superledende egenskaber i et materiale. uanset temperatur på grund af jernets magnetiske natur. Superledningsevne har mange anvendelser inden for videnskab, medicin og computing, og hver ny superleder kan hjælpe med at fremme ny teknologi. På grund af dette laboratoriums arbejde betragtes YFe2Ge2 nu som et referencemateriale til undersøgelse af superledningsevne i forbindelser med en lignende jernstruktur.
Desværre, siger Murphy, er kvantetilstande “iboende skrøbelige”, og en væsentlig del af de interessante egenskaber, der naturligt opstår i nogle materialer, “overvældes af vibrationer ved højere temperaturer . ” Quantum Matter-gruppen fungerer på omkring 1 til 10 millikelvins og kan udføre målinger ved disse temperaturer i flere måneder. Men gruppen er i øjeblikket i færd med at udvikle et andet mere effektivt køleskab, der kan opretholde disse lave temperaturer i længere tid.
Med dette nye køleskab vil teamet se på andre jernbaserede materialer ved lave temperaturer i vedvarende perioder og også arbejde videre med materialer kendt som topologiske semimetaller, såsom ZrSiS. Den magnetiske opførsel ved lave temperaturer ved topologiske semimetaller er i vid udstrækning et mysterium, for deres egenskaber er domineret af deres topologi (eller arrangementet af dens dele), ikke deres bestanddele. Og Cambridge-teamet er klar til at finde deres gåder, når det nye køleskab er i gang.
Underlige fysiske egenskaber trives under ekstreme temperaturer, og konsekvenserne af disse bizarre kvaliteter er tilsyneladende ubegrænsede. Superkølingsteknikker som f.eks. dem, der anvendes i fortyndingskøling, er kritiske for en bred vifte af discipliner: gravitationsbølgeforskning, superledningsevne, spintronik, kvantecomputering og andre kommende teknologier. Afhjælpning af høje temperaturstammer, arbejde ved absolut nul er afgørende for at forstå og afdække mange ukendte i både kvantemekanik og fysik generelt.
“Ved disse temperaturer får vi adgang til en verden af eksotiske fænomener, og de materialer, der engang var almindelige, blev ekstraordinære,” siger Murphy.