Putkien, putkien, mittareiden, metallilevyjen, pumppujen ja teipin takkuisen sotkun alla on paikka, joka on avaruutta kylmempi. Cambridgen yliopiston Cavendish Laboratoryn Quantum Matter -tiimi työskentelee tässä järjestäytyneen kaaoksen ympäristössä alkamassa paljastaa superkylmien materiaalien eksoottiset kvanttiominaisuudet maastoauton kokoisessa jääkaapissa.
Koska ihmiset voivat helposti havaita kuuman ja kylmän välisen eron, lämpötila on tieteen piirre, josta ihmisillä on melko intuitiivinen käsitys. Mutta mitä ihmiset todella kokevat erottaessaan kuuman kylmästä, on järjestelmän sisältämä lämpöenergian määrä – esimerkiksi jäätelötötterö sisältää vähemmän lämpöenergiaa kuin kulho kuumaa keittoa. Ja koska tämä energia tulee atomien ja molekyylien liikkeestä aineen sisällä, se tarkoittaa, että keittomolekyylit liikkuvat enemmän kuin jäätelössä olevat.
Cambridgen yliopiston joukkue valvoo energiaa kuitenkin äärimmäisemmällä tasolla yrittäessään lähestyä absoluuttista nollaa – kylmintä lämpötilaa, jonka termodynamiikan lait sallivat. Absoluuttinen nolla, joka teknisesti tunnetaan nollakelviininä, on −273,15 celsiusastetta tai -459,67 Fahrenheit ja merkitsee lämpömittarissa pisteen, jossa järjestelmä saavuttaa pienimmän mahdollisen energiansa tai lämpöliikkeen.
Siellä on kuitenkin saalis: absoluuttista nollaa on mahdotonta saavuttaa. Syy liittyy siihen, kuinka paljon työtä tarvitaan lämmön poistamiseksi aineesta, mikä lisää huomattavasti sitä kylmempää, mitä yrität mennä. Nollan kelviinien saavuttaminen vaatii äärettömän määrän työtä. Ja vaikka sinäkin pääset sinne, kvanttimekaniikka sanelee, että atomilla ja molekyyleillä olisi silti jonkinlainen pelkistämätön liike.
Kvanttimekaniikka tarkoittaa myös sitä, että mitä lähemmäs nämä tutkijat hiipivät kohti absoluuttista nollaa, sitä outommat aineen ominaisuudet muuttuvat. Riittävän alhaisissa lämpötiloissa esimerkiksi nestemäinen helium muuttuu supernesteeksi – neste, joka virtaa ilman kitkan kestävyyttä. Tämän seurauksena se voi spontaanisti virrata ylöspäin ja ulos säiliöstä; tunkeutua molekyylin ohuiden halkeamien läpi; pysyä täydellisesti paikallaan pyörittäessä suurilla nopeuksilla; ja – fyysikoille kaikkein yllättävin – yhdistyvät yhdeksi ”superatomiksi”, joka tunnetaan nimellä Bose-Einstein-kondensaatti. Työskentelemällä noin 1-10 millikelviinillä tai tuhannesosalla kelviinistä, Cavendish-tiimi on parhaillaan kartoittamassa erilaisia ja muita materiaaleja, jotka osoittavat myös funky-kvanttikäyttäytymistä. Ja tekniikka, jota ryhmä käyttää saavuttaakseen niin kylmät lämpötilat, on melkein yhtä monimutkaista kuin käyttäytyminen, jota se yrittää saada aikaan.
Matka kohti absoluuttista nollaa alkoi varhaisessa vaiheessa 1700-luku, kun Guillaume Amontons väitti, että jos lämpötila on järjestelmän lämpömittari, niin lämpötilan on oltava alin mahdollinen.Mutta vasta kaksi vuosisataa myöhemmin Amontonsin teoria löysi paikkansa kokeilussa. Leidenin yliopistossa, Heike Kamerlingh Onnes ja hänen kollegansa kilpailivat muita vastaan ympäri maailmaa kehittämään tekniikoita heliumin nesteyttämiseksi.Monien epäonnistuneiden yritysten jälkeen he onnistuivat ja kertoo Dirk van Delft, Museum Boerhaave, hollantilainen kansakunta. l Tiede- ja lääketieteellisen historian museo, ”Leidenistä tuli hetkeksi maan kylmin paikka.”
Onnesin menestys johtui lopulta yhdestä varhaisimmista tehokkaan jäähdytyksen muodoista. Kuten jokapäiväiset jääkaapit, Onnesin laboratorion ja nyt laboratorioiden jäähdytysjärjestelmä toimii ympäri maailmaa. Jäähdytysprosessi itsessään on samanlainen kuin mitä tapahtuu, kun puhallat kuumaa kupillista kahvia jäähtyäksesi. Kun henkilö puhaltaa, kaoottisempia, nopeammin liikkuvia kahvimolekyylejä kannustetaan haihtumaan ja siten siirtymään pois kupillisesta. Jäljelle jääneet molekyylit liikkuvat keskimäärin hitaammin, mikä tekee kahvista juomakelpoisemman lämpötilan. Toisin kuin jokapäiväiset jääkaapit, jotka käyttävät jääkaapin sisältä tulevaa höyryä, Onnes käytti heliumia kaasutilassa ja vetyä ja happea nestemäisessä tilassa saavuttaakseen alhaiset lämpötilat.
Pyörittämällä kaasumaista heliumia kammiossa kylmässä nestemäisessä vedessä ja ilmassa uunissa Onnesin ryhmä saavutti onnistuneesti lämpötilan, jossa pieni teekupin arvoinen helium voisi nesteytyä. Tällöin kaasutilan ylimääräinen lämpö haihtui ja järjestelmä saavutti lämpötilan vain kuusi
kelviiniä absoluuttisen nollan yläpuolella – aikansa lähimpänä yrityksenä. Tämä tutkimus voitti Onnesin Nobel-palkinnon vuonna 1913. Hän löysi vahingossa myös suprajohtavuuden, aineen kyvyn kuljettaa sähkövirtaa ilman vastusta. Tämän ominaisuuden ansiosta muun muassa tämän päivän magneettikuvausilmaisimissa ja jättiläishiukkastekiihdyttimissä käytetyt voimakkaat suprajohtavat magneetit ovat mahdollisia.
Nykypäivän maailman parhaat jäähdytysjärjestelmät perustuvat Onnesin alkuperäisiin teoksiin, mutta ne voivat nyt nousta muutamaan millikelviiniin käyttämällä kahta erilaista heliumin isotooppia. Toisin kuin useimmat nesteet, jotka jäätyvät ja muuttuvat kiinteiksi jossakin lämpötilapisteessä, helium pysyy nestemäisenä absoluuttiseen nollaan saakka. Koska sen atomit ovat niin kevyitä näissä lämpötiloissa, helium vetää heikosti muita heliumiatomeja siten, että ne lukittuvat pysyvään jiggiin, joka tunnetaan nimellä nollapisteliike, kvanttimekaaninen vaikutus, jonka Heisenbergin epävarmuusperiaate määrittelee.
Helium toimii käytännössä suljetussa piirissä, ja se toimii melkein täsmälleen kuin mukissasi olevat häiriintyneet kahvimolekyylit ja kuluttaa ylimääräistä lämpöä kiertäessään ympäristöön. Kun helium-3-isotooppi kulkeutuu kohti helium-4-isotooppia jääkaappilaitteen aiheuttamien vetovoima- ja paine-erojen seurauksena, se absorboi lämpöä ja jäähdyttää koko järjestelmän millikelviinitasolle.
Cambridgen laboratorio käyttää tällaista jääkaappia monien erityyppisten materiaalien ja materiaalien ominaisuuksien tarkastamiseen. Ehkä yllättävin niistä on rautagermanidi, YFe2Ge2. Alhaisissa lämpötiloissa tämä rautapohjainen materiaali kääntyy suprajohteeksi. ”Hämmästyttävin löytö on todellakin YFe2Ge2: n olemassaolo suprajohteena ollenkaan”, sanoo Cambridge Quantum Matter -ryhmän tohtorikoulutettava Keiron Murphy.
Rauta, hän selittää, yleensä tuhoaa kaikki materiaalin suprajohtavat ominaisuudet. lämpötilasta riippumatta raudan magneettisen luonteen vuoksi. Suprajohtavuudella on monia sovelluksia tieteessä, lääketieteessä ja laskennassa, ja jokainen uusi suprajohde voi auttaa edistämään uutta tekniikkaa. Tämän laboratorion työn vuoksi YFe2Ge2: ta pidetään nyt vertailumateriaalina suprajohtavuuden tutkimiseen yhdisteissä, joilla on samanlainen rautarakenne.
Valitettavasti, sanoo Murphy, kvanttitilat ovat ”luontaisesti hauraita”, ja huomattava osa mielenkiintoisista ominaisuuksista, joita luonnollisesti esiintyy joissakin materiaaleissa, ”tärisee korkeammissa lämpötiloissa”. . ” Vain noin 1–10 millikelviinillä toimiva Quantum Matter -ryhmä voi suorittaa mittauksia näissä lämpötiloissa useita kuukausia, mutta ryhmä on parhaillaan kehittämässä toista tehokkaampaa jääkaappia, joka kestää näitä matalia lämpötiloja pidempään.
Tämän uuden jääkaapin avulla tiimi tarkastelee muita rautapohjaisia materiaaleja alhaisissa lämpötiloissa pitkiä aikoja ja jatkaa työskentelyä topologisina puolimetaleina tunnettujen materiaalien, kuten ZrSiS: n kanssa. Topologisten puolimetallien matalan lämpötilan magneettinen käyttäytyminen on suurelta osin mysteeri, koska niiden ominaisuuksia hallitsee niiden topologia (tai sen osien järjestely), ei niiden osatekijät. Ja Cambridgen tiimi on valmis paljastamaan arvoituksensa, kun uusi jääkaappi on valmis ja toiminnassa.
Oudot fysikaaliset ominaisuudet viihtyvät äärimmäisen matalissa lämpötiloissa, ja näiden outojen ominaisuuksien seuraukset ovat näennäisesti rajattomat. laimennusjäähdytyksessä käytetyt ovat kriittisiä monille tieteenaloille: gravitaatioaaltotutkimus, suprajohtavuus, spintroniikka, kvanttilaskenta ja muut nousevat tekniikat. Korkean lämpötilan kantojen lievittäminen, työskentely absoluuttisella nollalla on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan ymmärtää ja paljastaa paljon tuntemattomia sekä kvanttimekaniikassa että fysiikassa yleensä.
”Näissä lämpötiloissa pääsemme eksoottisten ilmiöiden maailmaan, ja tavallisista materiaaleista tulee poikkeuksellisia”, Murphy sanoo.