파이프, 튜브, 게이지, 금속판, 펌프 및 덕트 테이프가 엉켜있는 엉망이 된 곳 아래에는 우주 공간보다 추운 곳이 있습니다. 조직 된 혼돈의 환경에서 일하면서 케임브리지 대학의 Cavendish Laboratory의 Quantum Matter 팀은 SUV 크기의 냉장고에있는 초저온 물질의 이국적인 양자 특성을 밝히기 시작했습니다.
인간은 더위와 추위의 차이를 쉽게 인식 할 수 있기 때문에 온도는 사람들이 상당히 직관적으로 이해하는 과학의 특징입니다. 그러나 사람들이 뜨거운 것과 차가운 것을 구별 할 때 실제로 경험하는 것은 시스템에 포함 된 열 에너지의 양입니다. 예를 들어 아이스크림 콘은 뜨거운 수프 한 그릇보다 열 에너지가 적습니다. 그리고이 에너지는 물질 내의 원자와 분자의 움직임에서 비롯되기 때문에 수프 분자가 아이스크림에있는 분자보다 더 많이 움직이고 있음을 의미합니다.
그러나 캠브리지 대학의 팀은 열역학 법칙에서 허용하는 가장 낮은 온도 인 절대 영도에 접근하려고 할 때보다 극단적 인 수준에서 에너지를 모니터링합니다. 기술적으로 0 켈빈으로 알려진 절대 0은 섭씨 -273.15도 또는 화씨 -459.67도에 해당하며 시스템이 가능한 가장 낮은 에너지 또는 열 운동에 도달하는 온도계의 지점을 표시합니다.
하지만 문제가 있습니다. 절대 0은 도달 할 수 없습니다. 그 이유는 물질에서 열을 제거하는 데 필요한 작업의 양과 관련이 있습니다. 0 켈빈에 도달하려면 무한한 작업이 필요합니다. 그리고 거기에 갈 수 있다고하더라도 양자 역학은 원자와 분자가 여전히 약간의 비축 소적 운동을 할 것이라고 지시합니다.
양자 역학은 또한이 연구자들이 절대 0에 가까울수록 물질의 특성이 더 이상 해짐을 의미합니다. 예를 들어, 충분히 낮은 온도에서 액체 헬륨은 마찰 저항없이 흐르는 액체 인 초유 체로 변합니다. 그 결과 용기에서 자연스럽게 위쪽으로 흘러 나올 수 있습니다. 분자처럼 얇은 균열을 통해 스며 나옵니다. 고속으로 회전하는 동안 완벽하게 정지 상태를 유지합니다. 물리학 자들에게 가장 놀라운 사실은 보스-아인슈타인 응축수로 알려진 하나의 “슈퍼 원자”로 합쳐집니다. 약 1 ~ 10 밀리 켈빈 또는 켈빈의 천분의 1 켈빈으로 작업하면서 Cavendish 팀은 다양한 조사를 진행하고 있습니다. 펑키 한 양자 거동을 보이는 다른 물질도 있습니다. 그리고 그룹이 그러한 혹한 온도에 도달하기 위해 사용하는 기술은 유도하려는 거동만큼이나 복잡합니다.
절대 영도를 향한 여정은 초기에 시작되었습니다. 1700 년대에 Guillaume Amontons가 온도가 시스템의 열의 척도라면 가능한 최저 온도가 있어야한다고 주장했을 때 Amontons의 이론이 실험에서 그 자리를 찾은 것은 2 세기가 지나야였습니다. Leiden University에서 Heike Kamerlingh Onnes와 그의 동료들은 헬륨을 액화시키는 기술을 개발하기 위해 전 세계의 다른 사람들과 경쟁했습니다. 많은 시도가 실패한 끝에 성공했으며 네덜란드 국가의 Boerhaave 박물관 책임자 인 Dirk van Delft는 말합니다. l 과학 의학사 박물관, “라이덴은 잠시 지구상에서 가장 추운 곳이되었습니다.”
Onnes의 성공은 결국 가장 초기의 고성능 냉동 방식 중 하나 덕분이었습니다. 일반 냉장고와 마찬가지로 Onnes의 실험실과 현재 전 세계 실험실의 냉각 시스템은 주기적으로 작동합니다. 냉각 과정 자체는 커피를 식히기 위해 뜨거운 컵에 불어 넣을 때 발생하는 것과 유사합니다. 사람이 불면 더 혼란스럽고 빠르게 움직이는 커피 분자가 증발하여 컵에서 멀어집니다. 남겨진 분자는 평균적으로 느리게 이동하여 커피를 더 마실 수있는 온도로 만듭니다. 그러나 온 네스는 냉장고 내부의 증기를 사용하는 일반 냉장고와 달리 기체 상태의 헬륨을 사용하고 액체 상태의 수소와 산소를 사용하여 저온을 유지했습니다.
차가운 액체 수소와 공기로 채워진 챔버를 통해 기체 헬륨을 순환시킴으로써 Onnes의 그룹은 작은 찻잔 분량의 헬륨이 액화 될 수있는 온도에 성공적으로 도달했습니다. 그렇게함으로써 기체 상태에서 발생하는 과도한 열이 소멸되고 시스템은 절대 영도보다 6 켈빈 높은 온도에 도달했습니다. 이는 그 시간에 가장 가까운 시도였습니다. 이 연구는 1913 년 Onnes에서 노벨상을 수상했습니다. 그는 또한 물질이 저항없이 전류를 전달하는 능력 인 초전도성을 우연히 발견했습니다. 이 속성은 무엇보다도 오늘날의 MRI 탐지기 및 거대 입자 가속기에 사용되는 강력한 초전도 자석을 가능하게합니다.
오늘날 세계 최고의 냉동 시스템은 Onnes의 독창적 인 작업을 기반으로하지만 이제 두 가지 헬륨 동위 원소를 활용하여 몇 밀리 켈빈에 도달 할 수 있습니다. 어떤 온도 지점에서 얼어 고체로 변하는 대부분의 액체와 달리 헬륨은 절대 영도까지 액체 상태로 유지됩니다. 그 원자는이 온도에서 매우 가볍기 때문에 헬륨은 다른 헬륨 원자에 약하게 끌려서 Heisenberg 불확실성 원리에 의해 정의 된 양자 역학적 효과 인 영점 운동으로 알려진 지속적인 흔들림에 고정됩니다.
기본적으로 닫힌 루프에서 작동하는 헬륨은 머그에있는 무질서한 커피 분자와 거의 똑같이 작용하며 순환하면서 과도한 열을 환경으로 발산합니다. 헬륨 -3 동위 원소가 냉장고 장치에 의한 인력 및 압력 차이로 인해 헬륨 -4 동위 원소쪽으로 이동하면 열을 흡수하고 전체 시스템을 밀리 켈빈 수준까지 냉각시킵니다.
캠브리지 연구소는 이러한 종류의 냉장고를 사용하여 다양한 유형의 재료와 재료 특성을 검사합니다. 아마도 가장 놀라운 것은 게르 마나 이드 철인 YFe2Ge2 일 것입니다. 저온에서이 철 기반 물질은 초전도체로 뒤 틀립니다. “가장 놀라운 발견은 YFe2Ge2가 초전도체로 존재한다는 사실입니다.”라고 Cambridge Quantum Matter 그룹의 박사 과정 학생 인 Keiron Murphy는 말합니다.
Iron은 일반적으로 재료의 모든 초전도 특성을 파괴합니다. , 철의 자기 적 특성으로 인해 온도에 관계없이 초전도는 과학, 의학 및 컴퓨팅 분야에서 많은 응용 분야가 있으며 새로운 초전도체는 각각 새로운 기술을 육성하는 데 도움이 될 수 있습니다.이 연구실의 연구 덕분에 YFe2Ge2는 이제 초전도 연구를위한 참고 자료로 간주됩니다. 유사한 철 구조를 가진 화합물.
불행히도 양자 상태는 “본질적으로 깨지기 쉬우 며”일부 물질에서 자연적으로 발생하는 흥미로운 특성의 상당 부분이 “고온에서의 진동에 압도 당합니다.”라고 Murphy는 말합니다. .” 약 1 ~ 10 밀리 켈빈에서 작동하는 Quantum Matter 그룹은 이러한 온도에서 몇 달 동안 측정을 수행 할 수 있습니다. 그러나이 그룹은 현재 이러한 저온을 더 오래 유지할 수있는 또 다른 효율적인 냉장고를 개발하는 과정에 있습니다.
이 새로운 냉장고를 통해 팀은 지속적으로 저온에서 다른 철 기반 재료를 살펴보고 ZrSiS와 같은 위상 반 금속으로 알려진 재료로 계속 작업 할 것입니다. 위상 반 금속의 저온 자기 거동은 다음과 같습니다. 그 속성은 구성 요소가 아니라 토폴로지 (또는 부품 배열)에 의해 지배되기 때문에 대부분 미스테리입니다. Cambridge 팀은 새 냉장고가 가동되고 실행되면 수수께끼를 풀 준비가되어 있습니다.
기이 한 물성은 극한의 저온에서 번성하며 이러한 기괴한 특성의 의미는 겉보기에는 무한 해 보입니다. 희석 냉동에 사용되는 것은 중력파 연구, 초전도, 스핀 트로닉스, 양자 컴퓨팅 및 기타 최신 기술과 같은 광범위한 분야에서 중요합니다. 고온 변형을 완화하고 절대 0에서 작업하는 것은 일반적으로 양자 역학과 물리학 모두에서 많은 미지의 내용을 이해하고 발견하는 데 중요합니다.
“이 온도에서 우리는 이국적인 현상의 세계에 접근 할 수 있으며, 한때 평범했던 물질이 특별 해졌습니다.”라고 Murphy는 말합니다.