パイプ、チューブ、ゲージ、金属板、ポンプ、ダクトテープの絡み合った混乱の下には、宇宙よりも寒い場所があります。組織化された混沌としたこの環境で働いているケンブリッジ大学のキャベンディッシュ研究所の量子物質チームは、SUVサイズの冷蔵庫にある超低温材料のエキゾチックな量子特性を明らかにし始めています。
人間は暑さと寒さの違いを簡単に認識できるため、温度は科学の特徴であり、人々はかなり直感的に把握できます。しかし、人々が熱いものと冷たいものを区別するときに実際に経験するのは、システムに含まれる熱エネルギーの量です。たとえば、アイスクリームコーンには、熱いスープのボウルよりも少ない熱エネルギーが含まれます。そして、このエネルギーは物質内の原子や分子の動きから来るので、それはスープの分子がアイスクリームのものよりも多く動いていることを意味します。
ただし、ケンブリッジ大学のチームは、熱力学の法則で許容される最低温度である絶対零度に近づこうとするときに、より極端なレベルでエネルギーを監視します。絶対零度は、技術的にはゼロケルビンとして知られ、摂氏-273.15度、または華氏-459.67度に等しく、システムが可能な限り低いエネルギーまたは熱運動に達する温度計上のスポットを示します。
ただし、落とし穴があります。絶対零度に到達することは不可能です。その理由は、物質から熱を取り除くために必要な仕事の量に関係しており、それはあなたが行こうとする寒さを大幅に増加させます。ケルビンをゼロにするには、無限の作業が必要になります。そして、あなたがそこにたどり着くことができたとしても、量子力学は、原子と分子がまだいくらかの既約運動をするであろうことを指示します。
量子力学は、これらの研究者が絶対零度に近づくほど、物質の特性が奇妙になることも意味します。たとえば、十分に低い温度では、液体ヘリウムは超流動体、つまり摩擦の抵抗なしに流れる液体に変化します。その結果、それは自発的に上向きに流れ、コンテナから流出する可能性があります。分子の薄い亀裂から浸透します。高速で回転している間、完全に静止したままです。そして、物理学者にとって最も驚くべきことは、ボーズ・アインシュタイン凝縮として知られる1つの「超原子」に合体することです。約1〜10ミリケルビン、つまり1000分の1ケルビンで作業しているキャベンディッシュのチームは、さまざまな調査を行っています。ファンキーな量子挙動を示す他の材料の例。そして、このような極寒の温度に到達するためにグループが使用する技術は、誘導しようとしている挙動とほぼ同じくらい複雑です。
絶対ゼロへの旅は早い段階で始まりました1700年代、ギヨームアモントンが、温度がシステム内の熱の尺度である場合、可能な限り低い温度が必要であると主張しました。それでも、アモントンの理論が実験にその場所を見つけるのは2世紀後のことでした。ライデン大学では、 Heike Kamerlingh Onnesと彼の同僚は、ヘリウムを液化する技術を開発するために世界中の人々と競争しましたが、何度も失敗した後、成功しました、とオランダ国家のボース・アインシュタイン博物館の所長であるDirk vanDelftは言いますl科学医学史博物館、「ライデンは一時的に地球上で最も寒い場所になりました。」
Onnesの成功は、強力な冷凍の最も初期の形態の1つに最終的にもたらされました。日常の冷蔵庫と同様に、オンネスのラボと現在は世界中のラボの冷却システムが周期的に機能しています。冷却プロセス自体は、熱い一杯のコーヒーを吹きかけて冷やすときに起こることと似ています。人が吹くと、より混沌とした、動きの速いコーヒー分子が蒸発するように促され、したがって、カップから離れます。残された分子は平均してゆっくりと移動します。その結果、コーヒーはより飲みやすい温度になります。しかし、冷蔵庫の内部から蒸気を使用する日常の冷蔵庫とは異なり、オンネスは低温を実現するために、気体状態でヘリウムを使用し、液体状態で水素と酸素を使用しました。
冷たい液体水素と空気を浴びたチャンバーを通してガス状のヘリウムを循環させることにより、オンネスのグループは、小さなティーカップに相当するヘリウムが液化できる温度に到達することに成功しました。そうすることで、気体状態からの過剰な熱が放散され、システムは絶対零度よりわずか6ケルビン高い温度に達しました。これは当時の最も近い試みです。この研究は1913年にノーベル賞を受賞しました。彼はまた、抵抗なしで電流を運ぶ物質の能力である超伝導を偶然発見しました。この特性により、今日のMRI検出器や巨大粒子加速器で使用されている強力な超伝導磁石が可能になります。
今日の世界で最高の冷凍システムは、オンネスのオリジナルの作品に基づいていますが、2つの異なるヘリウム同位体を利用して、数ミリケルビンに達することができます。ある温度点で凍結して固体になるほとんどの液体とは異なり、ヘリウムは絶対零度まで液体のままです。その原子はこれらの温度で非常に軽いため、ヘリウムは他のヘリウム原子に弱く引き寄せられ、ハイゼンベルグの不確定性原理によって定義される量子力学的効果であるゼロ点運動として知られる永続的な揺れに閉じ込められます。
本質的に閉ループで動作するヘリウムは、マグカップ内の無秩序なコーヒー分子とほぼ同じように機能し、循環するときに過剰な熱を環境に放散します。冷蔵庫装置によって引き起こされる引力と圧力差の結果として、ヘリウム3同位体がヘリウム4同位体に向かって移動すると、熱を吸収し、システム全体をミリケルビンレベルまで冷却します。
ケンブリッジ研究所では、この種の冷蔵庫を使用して、さまざまな種類の材料や材料特性を検査しています。おそらくそれらの中で最も驚くべきものは鉄ゲルマニド、YFe2Ge2です。低温では、この鉄ベースの材料は超伝導体にねじれます。 「最も驚くべき発見は、実際には超伝導体としてのYFe2Ge2の存在です」とCambridge QuantumMatterグループの博士課程の学生であるKeironMurphyは言います。
鉄は通常、材料の超伝導特性を破壊します。 、温度に関係なく、鉄の磁気的性質により、超伝導は科学、医学、コンピューティングで多くの用途があり、新しい超伝導体はそれぞれ新しい技術の育成に役立ちます。このラボの作業により、YFe2Ge2は現在超伝導を調査するための参照材料と見なされています
残念ながら、量子状態は「本質的に壊れやすい」ものであり、一部の材料で自然に発生する興味深い特性のかなりの部分は「高温での振動に圧倒されます」とマーフィー氏は言います。 。」 Quantum Matterグループは、約1〜10ミリケルビンで動作し、これらの温度で数か月間測定を実行できます。しかし、グループは現在、これらの低温をより長く維持できる別のより効率的な冷蔵庫の開発を進めています。
この新しい冷蔵庫を使用して、チームは他の鉄ベースの材料を低温で長期間観察し、ZrSiSなどのトポロジカルセミメタルと呼ばれる材料の使用も継続します。トポロジカルセミメタルの低温磁気挙動は次のとおりです。謎の大部分は、その特性が構成要素ではなくトポロジー（またはその部品の配置）によって支配されているためです。ケンブリッジチームは、新しい冷蔵庫が稼働すると、謎を発掘する準備ができています。
奇妙な物理的特性は極端な低温下で繁栄し、これらの奇妙な性質の影響は一見無限に見えます。希釈冷凍で使用されるものは、重力波研究、超伝導、スピントロニクス、量子コンピューティング、その他の新進気鋭の技術など、幅広い分野で重要です。高温ひずみを緩和し、絶対零度での作業は、量子力学と一般的な物理学の両方で多くの未知数を理解し、明らかにするために重要です。
「これらの温度では、エキゾチックな現象の世界にアクセスでき、かつては普通だった素材が異常になります」とマーフィーは言います。