A csövek, csövek, mérők, fémlemezek, szivattyúk és ragasztószalagok kusza rendetlensége alatt a világűrnél hidegebb hely fekszik. Ebben a szervezett káosz környezetében dolgozik a Quantum Matter csapata a Cambridge-i Egyetem Cavendish Laboratóriumában, és egy SUV méretű hűtőszekrényben kezdi felfedni a szuperhideg anyagok egzotikus kvantumtulajdonságait.
Mivel az emberek könnyen érzékelhetik a hideg és a hideg közötti különbséget, a hőmérséklet a tudomány egyik jellemzője, amelyet az emberek meglehetősen intuitív módon megértenek. De amit az emberek valóban tapasztalnak, amikor megkülönböztetik a meleget a hidegtől, az a hőenergia mennyisége, amelyet egy rendszer tartalmaz – például egy fagylaltkúp kevesebb hőenergiát tartalmaz, mint egy tál forró leves. És mivel ez az energia az atomok és molekulák mozgásából származik egy anyagon belül, ez azt jelenti, hogy a leves molekulák jobban mozognak, mint a fagylaltban lévő molekulák.
A Cambridge-i Egyetem csapata azonban extrémebb szinten figyeli az energiát, amikor megpróbálják megközelíteni az abszolút nullát – a termodinamika törvényei által megengedett leghidegebb hőmérsékletet. Az abszolút nulla, technikailag nulla kelvineként ismert, értéke –273,15 Celsius-fok vagy -459,67 Fahrenheit, és a hőmérőn azt a foltot jelöli, ahol a rendszer eléri a lehető legalacsonyabb energiát vagy hőmozgást.
Van azonban fogás: az abszolút nullát lehetetlen elérni. Ennek oka az anyag hőjének eltávolításához szükséges munka mennyisége, ami lényegesen nő, annál hidegebbre, ahová megpróbálkozik. A nulla kelvin eléréséhez végtelen mennyiségű munkára lenne szükség. És még ha el is jutna oda, a kvantummechanika azt diktálja, hogy az atomoknak és molekuláknak még mindig van némi visszavonhatatlan mozgása.
A kvantummechanika azt is jelenti, hogy minél közelebb kúsznak ezek a kutatók az abszolút nulla felé, annál furcsábbak lesznek egy anyag tulajdonságai. Elég alacsony hőmérsékleten például a folyékony hélium szuperfolyadékká alakul – folyadék, amely súrlódási ellenállás nélkül áramlik. Ennek eredményeként spontán folyhat felfelé és ki a tartályból; szivárog át a molekula vékony repedésein; maradjon tökéletesen mozdulatlan, miközben nagy sebességgel forog; és – a fizikusok számára a legmeglepőbb – egy “szuperatommá” egyesül, amelyet Bose-Einstein kondenzátumnak neveznek. A Cavendish-féle csapat körülbelül 1-10 millikelvin vagy kelvin ezreléke mellett dolgozik, és különféle fajok felmérését végzi. más anyagok, amelyek szintén funky kvantum viselkedést mutatnak. És az a technológia, amelyet a csoport az ilyen rideg hőmérséklet elérésére használ, majdnem olyan bonyolult, mint az a viselkedés, amelyet megpróbál kiváltani.
Az abszolút nulla felé vezető út korán kezdődött. 1700-as évek, amikor Guillaume Amontons azt állította, hogy ha a hőmérséklet a rendszer hőmennyisége, akkor a lehető legalacsonyabb hőmérsékletnek kell lennie. Amontons elmélete azonban csak két évszázaddal később találta meg a helyét a kísérletekben. A Leideni Egyetemen Heike Kamerlingh Onnes és munkatársai a hélium cseppfolyósítására szolgáló technikák kifejlesztése érdekében a világ más részein versenyeztek, és sok sikertelen próbálkozás után sikerült is, és elmondja Dirk van Delft, a Museum Boerhaave, a holland Nationa igazgatója. l Tudomány- és orvostörténeti múzeum: “Leiden röviden a Föld leghidegebb helyévé vált.”
Onnes sikere végül a nagy teljesítményű hűtés egyik legkorábbi formájának köszönhető. A mindennapi hűtőszekrényekhez hasonlóan az Onnes laboratóriumában és a világ laboratóriumaiban működő hűtőrendszer ciklusban működik. Maga a hűtési folyamat hasonló ahhoz, ami akkor történik, amikor forró csésze kávéra fújja, hogy lehűtse. Amint az ember fúj, a kaotikusabb, gyorsabban mozgó kávé molekulákat arra ösztönzik, hogy párologjanak el, és ezért távolodjanak el a csészétől. A hátrahagyott molekulák átlagosan lassabban mozognak – következésképpen a kávé ihatóbb hőmérsékletűvé válik. A mindennapi hűtőszekrényektől eltérően, amelyek a hűtő belsejéből származó gőzt használnak, Onnes azonban gázállapotú héliumot, folyékony halmazállapotú hidrogént és oxigént használt az alacsony hőmérséklet eléréséhez.
Azzal, hogy a gáznemű héliumot hideg folyékony hidrogénben és levegőben fürdő kamrán keresztül keringtük, Onnes csoportja sikeresen elérte azt a hőmérsékletet, ahol egy kis teáscsésze hélium meg tudott oldódni. Ennek során a gáz halmazállapotú hő feleslege eloszlott, és a rendszer csupán hat
kelvin értéket ért el az abszolút nulla fölött – korának legközelebbi próbálkozása. Ez a kutatás 1913-ban elnyerte Onnes Nobel-díját. Véletlenül felfedezte a szupravezetést is, az anyag azon képességét, hogy ellenállást nélkülöző elektromos áramot hordozzon. Ez a tulajdonság többek között a mai MRI detektorokban és óriás részecskegyorsítókban használt erős szupravezető mágneseket teszi lehetővé.
A világ mai legjobb hűtőrendszerei Onnes eredeti munkáján alapulnak, de most elérhetik néhány millikelvinint, a hélium két különböző izotópjának felhasználásával. Ellentétben a legtöbb folyadékkal, amelyek megfagynak és szilárd anyaggá válnak valamilyen hőmérsékleti ponton, a hélium egészen abszolút nullaig folyékony marad. Mivel atomjai ilyen könnyűek ezen a hőmérsékleten, a hélium gyengén vonzódik más héliumatomokhoz, így azok állandó pergő jiggle-be záródnak, amelyet nullpontos mozgásnak neveznek, a Heisenberg-bizonytalansági elv által meghatározott kvantummechanikai hatásnak.
A lényegében zárt hurokban működő hélium majdnem pontosan úgy viselkedik, mint azok a rendezetlen kávémolekulák a bögrében, és a felesleges hőt eloszlatja a környezetben, miközben kering. Amikor a hélium-3 izotóp a hélium-4 izotóp felé vándorol a hűtőberendezés okozta vonzerő és nyomáskülönbségek eredményeként, az elnyeli a hőt és az egész rendszert millikelvin szintre hűti.
A cambridge-i laboratórium ilyen típusú hűtőszekrényt használ sokféle anyag és anyag tulajdonságának ellenőrzésére. Talán a legmeglepőbb közülük a vas-germanid, az YFe2Ge2. Alacsony hőmérsékleten ez a vasalapú anyag szupravezetővé válik. “A legmegdöbbentőbb felfedezés valóban az, hogy YFe2Ge2 szupravezetőként létezik” – mondja Keiron Murphy, a Cambridge Quantum Matter csoport doktorandusz hallgatója. hőmérséklettől függetlenül, a vas mágneses jellege miatt. A szupravezetés számos alkalmazással rendelkezik a tudományban, az orvostudományban és a számítástechnikában, és minden új szupravezető segíthet az új technológiák előmozdításában. E laboratórium munkája miatt az YFe2Ge2 ma referenciaanyagnak tekinthető a szupravezetés vizsgálatában. hasonló vasszerkezetű vegyületekben.
Sajnos, mondja Murphy, a kvantumállapotok “eredendően törékenyek”, és az egyes anyagokban természetesen felmerülő érdekes tulajdonságok jelentős részét “magasabb hőmérsékleten rezgik át”. . ” A körülbelül 1–10 millikelvinnél működő Quantum Matter csoport ezen a hőmérsékleten több hónapig képes méréseket végezni, de a csoport jelenleg egy újabb hatékonyabb hűtőszekrény kifejlesztésén dolgozik, amely hosszabb ideig képes fenntartani ezeket az alacsony hőmérsékleteket.
Ezzel az új hűtőszekrénnyel a csapat más vasalapú anyagokat vizsgál meg alacsony hőmérsékleten, tartós ideig, és folytatja a munkát topológiai szemiméterek néven ismert anyagokkal, például a ZrSiS-rel. A topológiai szemimetálok alacsony hőmérsékletű mágneses viselkedése nagyrészt rejtély, mivel tulajdonságaikban topológiájuk (vagy annak elrendezése) dominálnak, nem pedig alkotóelemeik. És a cambridge-i csapat készen áll arra, hogy feltárja rejtélyeiket, amint az új hűtőszekrény beindul.
A furcsa fizikai tulajdonságok az alacsony hőmérséklet szélsőségei alatt gyarapodnak, és ezeknek a bizarr tulajdonságoknak a következményei látszólag határtalanok. a hígításos hűtésben alkalmazottak kritikusak a tudományágak széles skáláján: gravitációs hullámkutatás, szupravezetés, spintronika, kvantumszámítás és más feltörekvő technológiák. A magas hőmérsékleti igénybevételek enyhítése, az abszolút nullán végzett munka kulcsfontosságú a kvantummechanikában és általában a fizikában egyaránt sok ismeretlen megértésében és feltárásában.
“Ilyen hőmérsékleten hozzáférünk az egzotikus jelenségek világához, és az egykor hétköznapi anyagok rendkívülivé válnak” – mondja Murphy.