Under et sammenfiltret rot av rør, rør, målere, metallplater, pumper og teip ligger et sted kaldere enn verdensrommet. I dette miljøet med organisert kaos begynner Quantum Matter-teamet ved University of Cambridge Cavendish Laboratory å avdekke de eksotiske kvanteegenskapene til superkolde materialer i et kjøleskap på størrelse med en SUV.
Fordi mennesker lett kan oppfatte forskjellen mellom varmt og kaldt, er temperatur et vitenskapelig trekk som folk har et ganske intuitivt grep om. Men det folk faktisk opplever når de skiller varmt fra kaldt, er mengden termisk energi som et system inneholder – en iskrem inneholder for eksempel mindre termisk energi enn en bolle med varm suppe. Og fordi denne energien kommer fra atomer og molekyler i et stoff, betyr det at suppemolekylene beveger seg mer enn de i isen.
Teamet ved University of Cambridge overvåker imidlertid energi på et mer ekstremt nivå når de prøver å nærme seg absolutt null – den kaldeste temperaturen som er tillatt i termodynamikkens lover. Absolutt null, teknisk kjent som null kelvin, tilsvarer -273,15 grader Celsius, eller -459,67 Fahrenheit, og markerer stedet på termometeret der et system når lavest mulig energi, eller termisk bevegelse.
Det er imidlertid en fangst: absolutt null er umulig å nå. Årsaken har å gjøre med den mengden arbeid som er nødvendig for å fjerne varmen fra et stoff, noe som øker betydelig jo kaldere du prøver å gå. For å nå null kelvin, vil du kreve uendelig mye arbeid. Og selv om du kunne komme dit, dikterer kvantemekanikken at atomene og molekylene fremdeles vil ha en irredusibel bevegelse.
Kvantemekanikk betyr også at jo nærmere disse forskerne kryper mot absolutt null, jo merkeligere blir stoffets egenskaper. Ved lave nok temperaturer forvandles for eksempel flytende helium til en superfluid – en væske som flyter uten motstand mot friksjon. Som et resultat kan det spontant strømme oppover og ut av en container; siver gjennom molekyltynne sprekker; forbli helt stille mens du snurrer i høye hastigheter; og – mest overraskende for fysikere – smelter sammen til ett «superatom», kjent som et Bose-Einstein-kondensat. Arbeidet på bare 1 til 10 millikelvins, eller tusendeler av en kelvin, er Cavendish-teamet i ferd med å kartlegge en rekke av andre materialer som også viser funky kvanteoppførsel. Og teknologien som gruppen bruker for å nå slike friske temperaturer er nesten like komplisert som den oppførselen den prøver å indusere.
Reisen mot absolutt null begynte tidlig 1700-tallet da Guillaume Amontons hevdet at hvis temperaturen er et mål på varmen i et system, så må det være en lavest mulig temperatur. Likevel var det ikke før to århundrer senere at Amontons teori skulle finne sin plass i eksperimentering. Ved Leiden University, Heike Kamerlingh Onnes og kollegene kjørte mot andre rundt om i verden for å utvikle teknikker for å flytende helium. Etter mange mislykkede forsøk lyktes de, og sier Dirk van Delft, direktør for Museum Boerhaave, den nederlandske Nationa l Museum for vitenskap og medisin, «Leiden ble kort tid det kaldeste stedet på jorden.»
Onnes suksess kom til slutt takket være en av de tidligste former for kraftig kjøling. Som kjøleskap i hverdagen, fungerer kjølesystemet i Onnes ‘lab og nå laboratorier over hele verden i en syklus. Kjøleprosessen i seg selv er lik den som skjer når du blåser på varm kopp kaffe for å kjøle den ned. Når personen blåser, oppfordres de mer kaotiske kaffemolekylene med raskere bevegelse til å fordampe og derfor bevege seg bort fra koppen. Molekylene som er igjen beveger seg i gjennomsnitt langsommere – noe som gjør kaffen til en mer drikkelig temperatur. I motsetning til vanlige kjøleskap som bruker damp fra innsiden av kjøleskapet, brukte Onnes imidlertid helium i gasstilstand og hydrogen og oksygen i flytende tilstand for å oppnå lave temperaturer.
Ved å sykle gassformet helium gjennom et kammer badet i kaldt flytende hydrogen og luft, nådde Onnes ‘gruppe vellykket en temperatur der en liten tekopp verdt Helium kunne flytes. Ved å gjøre dette forsvant overskuddsvarmen fra gassformen, og systemet oppnådde en temperatur bare seks
kelvin over absolutt null – det nærmeste forsøket på sin tid. Denne undersøkelsen vant Onnes Nobelprisen i 1913. Han oppdaget også ved et uhell superledningsevne, et stoffs evne til å bære elektrisk strøm uten motstand. Denne egenskapen gjør blant annet de kraftige superledende magneter som brukes i dagens MR-detektorer og gigantiske partikkelakseleratorer mulig.
De beste kjølesystemene i verden i dag er basert på Onnes ‘originale verk, men de kan nå nå noen få millikelvins ved å bruke to forskjellige isotoper av helium. I motsetning til de fleste væsker, som fryser og blir til et fast stoff ved et eller annet temperaturpunkt, forblir helium flytende helt ned til absolutt null. Fordi atomene er så lette ved disse temperaturene, trekkes helium svakt til andre heliumatomer slik at de blir låst i en vedvarende jiggle, kjent som nullpunktsbevegelse, en kvantemekanisk effekt definert av Heisenberg usikkerhetsprinsippet.
Ved å operere i det som egentlig er en lukket sløyfe, fungerer helium nesten akkurat som de uordnede kaffemolekylene i kruset ditt og sprer overflødig varme til miljøet når det sirkulerer. Når helium-3-isotopen migrerer mot helium-4-isotopen som et resultat av tiltreknings- og trykkforskjeller forårsaket av kjøleskapsenheten, absorberer den varme og kjøler ned hele systemet ned til millikelvin-nivået.
Cambridge lab bruker denne typen kjøleskap for å inspisere mange forskjellige typer materialer og materialegenskaper. Den kanskje mest overraskende av dem er jerngermanid, YFe2Ge2. Ved lave temperaturer, forvrenger dette jernbaserte materialet til en superleder. «Den mest oppsiktsvekkende oppdagelsen er egentlig YFe2Ge2s eksistens som superleder i det hele tatt,» sier Keiron Murphy, doktorgradsstudent i Cambridge Quantum Matter-gruppen.
Jern, forklarer han, ødelegger vanligvis alle superledende egenskaper i et materiale. uavhengig av temperatur på grunn av jernets magnetiske natur. Superledningsevne har mange anvendelser innen vitenskap, medisin og databehandling, og hver nye superleder kan bidra til å fremme ny teknologi. På grunn av dette laboratoriets arbeid, blir YFe2Ge2 nå ansett som et referansemateriale for å undersøke superledningsevne i forbindelser med lignende jernstruktur.
Dessverre, sier Murphy, er kvantetilstander «iboende skjøre», og en betydelig del av de interessante egenskapene som naturlig oppstår i noen materialer er «overveldet av vibrasjoner ved høyere temperaturer . ” Quantum Matter-gruppen fungerer på rundt 1 til 10 millikelvins og kan utføre målinger ved disse temperaturene i flere måneder. Men gruppen er for tiden i ferd med å utvikle et annet mer effektivt kjøleskap som kan opprettholde disse lave temperaturene lenger.
Med dette nye kjøleskapet vil teamet se på andre jernbaserte materialer ved lave temperaturer i langvarige perioder, og også fortsette å jobbe med materialer kjent som topologiske semimetaller, for eksempel ZrSiS. Den magnetiske atferden ved lav temperatur ved topologiske semimetaller for det meste et mysterium, for deres eiendommer domineres av deres topologi (eller arrangementet av delene), ikke deres bestanddeler. Og Cambridge-teamet er klar til å avdekke sine gåter når det nye kjøleskapet er i gang.
Merkelige fysiske egenskaper trives under ekstreme temperaturer, og implikasjonene av disse bisarre egenskapene er tilsynelatende grenseløse. de som brukes i fortynningskjøling er avgjørende for et bredt spekter av disipliner: gravitasjonsbølgeforskning, superledningsevne, spintronikk, kvanteberegning og andre kommende teknologier. Å lindre høye temperaturstammer, arbeid ved absolutt null er avgjørende for å forstå og avdekke mange ukjente i både kvantemekanikk og fysikk generelt.
«Ved disse temperaturene får vi tilgang til en verden av eksotiske fenomener, og materialene som en gang var vanlige, ble ekstraordinære,» sier Murphy.