Onder een wirwar van pijpen, buizen, meters, metalen platen, pompen en ducttape ligt een plek die kouder is dan de ruimte. Werkend in deze omgeving van georganiseerde chaos, begint het Quantum Matter-team van het Cavendish Laboratory van de Universiteit van Cambridge de exotische kwantumeigenschappen te onthullen van superkoude materialen in een koelkast ter grootte van een SUV.
Omdat mensen gemakkelijk het verschil tussen warm en koud kunnen waarnemen, is temperatuur een kenmerk van de wetenschap waar mensen een redelijk intuïtieve greep op hebben. Maar wat mensen werkelijk ervaren als ze warm en koud onderscheiden, is de hoeveelheid thermische energie die een systeem bevat – een ijshoorntje bevat bijvoorbeeld minder thermische energie dan een kom hete soep. En omdat deze energie afkomstig is van de beweging van atomen en moleculen in een stof, betekent dit dat de soepmoleculen meer bewegen dan die in het ijs.
Het team van de Universiteit van Cambridge bewaakt energie echter op een extremer niveau terwijl ze het absolute nulpunt proberen te naderen – de koudste temperatuur die is toegestaan door de wetten van de thermodynamica. Het absolute nulpunt, technisch bekend als nul Kelvin, is gelijk aan -273,15 graden Celsius, of -459,67 Fahrenheit, en markeert de plek op de thermometer waar een systeem de laagst mogelijke energie bereikt, of thermische beweging.
Er is echter een addertje onder het gras: het absolute nulpunt is onmogelijk te bereiken. De reden heeft te maken met de hoeveelheid werk die nodig is om warmte van een stof te verwijderen, die aanzienlijk toeneemt naarmate u kouder probeert te gaan. Om nul Kelvin te bereiken, zou je oneindig veel werk nodig hebben. En zelfs als je daar zou kunnen komen, dicteert de kwantummechanica dat de atomen en moleculen nog steeds een onherleidbare beweging zouden hebben.
Kwantummechanica betekent ook dat hoe dichter deze onderzoekers naar het absolute nulpunt kruipen, hoe vreemder de eigenschappen van een stof worden. Bij voldoende lage temperaturen verandert vloeibaar helium bijvoorbeeld in een supervloeistof – een vloeistof die stroomt zonder de weerstand van wrijving. Daardoor kan het spontaan naar boven en uit een container stromen; sijpelen door molecuul-dunne scheuren; perfect stil blijven tijdens het draaien met hoge snelheden; en – het meest verrassend voor natuurkundigen – samensmelten tot één ‘superatoom’, bekend als een Bose-Einstein-condensaat. Het Cavendish-team werkt met ongeveer 1 tot 10 millikelvin of duizendsten van een kelvin en is bezig met het onderzoeken van een verscheidenheid aan van andere materialen die ook funky kwantumgedrag vertonen. En de technologie die de groep gebruikt om zulke ijskoude temperaturen te bereiken, is bijna net zo ingewikkeld als het gedrag dat ze proberen op te wekken.
De reis naar het absolute nulpunt begon in het begin van 1700 toen Guillaume Amontons beweerde dat als temperatuur de maat is voor warmte in een systeem, er een laagst mogelijke temperatuur moet zijn. Maar pas twee eeuwen later zou de theorie van Amontons zijn plaats vinden in experimenten. Aan de Universiteit Leiden, Heike Kamerlingh Onnes en zijn collega’s raceten tegen anderen over de hele wereld om technieken te ontwikkelen om helium vloeibaar te maken. Na vele mislukte pogingen is dat gelukt, aldus Dirk van Delft, directeur van Museum Boerhaave, de Nederlandse Nationa l Museum voor de Geschiedenis van Wetenschap en Geneeskunde, “Leiden werd kortstondig de koudste plek op aarde.”
Het succes van Onnes kwam uiteindelijk dankzij een van de eerste vormen van krachtige koeling. Net als gewone koelkasten werkt het koelsysteem in het laboratorium van Onnes en nu in laboratoria over de hele wereld in een cyclus. Het koelproces zelf is vergelijkbaar met wat er gebeurt als je op een hete kop koffie blaast om deze af te koelen. Terwijl de persoon blaast, worden de meer chaotische, sneller bewegende koffiemoleculen aangemoedigd om te verdampen en daarom weg te bewegen van de beker. De moleculen die achterblijven, bewegen zich gemiddeld langzamer, waardoor de koffie beter drinkbaar wordt. In tegenstelling tot gewone koelkasten die damp uit de koelkast gebruiken, gebruikte Onnes echter helium in gasvorm en waterstof en zuurstof in vloeibare toestand om lage temperaturen te bereiken.
Door gasvormig helium door een kamer te laten lopen die badend in koude vloeibare waterstof en lucht, bereikte de groep van Onnes met succes een temperatuur waarbij een klein theekopje Helium vloeibaar kon worden. Daarbij verdween de overtollige warmte uit de gasvormige toestand en bereikte het systeem een temperatuur van slechts zes Kelvin boven het absolute nulpunt – de dichtste poging van zijn tijd. Dit onderzoek won Onnes de Nobelprijs in 1913. Hij ontdekte ook per ongeluk supergeleiding, het vermogen van een stof om elektrische stroom te dragen zonder weerstand. Deze eigenschap maakt onder meer de krachtige supergeleidende magneten die worden gebruikt in de huidige MRI-detectoren en gigantische deeltjesversnellers mogelijk.
De beste koelsystemen ter wereld zijn gebaseerd op het oorspronkelijke werk van Onnes, maar ze kunnen nu enkele millikelvin bereiken door gebruik te maken van twee verschillende isotopen van helium. In tegenstelling tot de meeste vloeistoffen, die op een bepaald temperatuurpunt bevriezen en in een vaste stof veranderen, blijft helium vloeibaar tot het absolute nulpunt. Omdat de atomen bij deze temperaturen zo licht zijn, wordt helium zwak naar andere heliumatomen getrokken, zodat ze opgesloten raken in een aanhoudende beweging, bekend als nulpuntsbeweging, een kwantummechanisch effect dat wordt gedefinieerd door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg.
Helium werkt in een in wezen gesloten kringloop en gedraagt zich bijna precies zoals die wanordelijke koffiemoleculen in je mok en voert overtollige warmte af aan de omgeving terwijl het circuleert. Wanneer de helium-3 isotoop migreert naar de helium-4 isotoop als gevolg van aantrekkings- en drukverschillen veroorzaakt door het koelkastapparaat, neemt het warmte op en koelt het hele systeem af tot op het millikelvin-niveau.
Het Cambridge lab gebruikt dit soort koelkasten om veel verschillende soorten materialen en materiaaleigenschappen te inspecteren. Misschien wel de meest verrassende daarvan is ijzergermanide, YFe2Ge2. Bij lage temperaturen kronkelt dit op ijzer gebaseerde materiaal in een supergeleider. “De meest verrassende ontdekking is eigenlijk het bestaan van YFe2Ge2 als supergeleider”, zegt Keiron Murphy, een PhD-student in de Cambridge Quantum Matter-groep.
IJzer, legt hij uit, vernietigt doorgaans alle supergeleidende eigenschappen in een materiaal , ongeacht de temperatuur, vanwege de magnetische aard van ijzer. Supergeleiding heeft veel toepassingen in de wetenschap, geneeskunde en computers, en elke nieuwe supergeleider kan nieuwe technologie bevorderen. Vanwege het werk van dit laboratorium wordt YFe2Ge2 nu beschouwd als een referentiemateriaal voor het onderzoeken van supergeleiding in verbindingen met een vergelijkbare ijzerstructuur.
Helaas, zegt Murphy, zijn kwantumtoestanden ‘inherent kwetsbaar’, en wordt een aanzienlijk deel van de interessante eigenschappen die van nature in sommige materialen voorkomen ‘overweldigd door trillingen bij hogere temperaturen. . ” De Quantum Matter-groep werkt op slechts 1 tot 10 millikelvin en kan gedurende enkele maanden metingen uitvoeren bij deze temperaturen. Maar de groep is momenteel bezig met de ontwikkeling van een andere, efficiëntere koelkast die deze lage temperaturen langer kan verdragen.
Met deze nieuwe koelkast zal het team langdurig naar andere materialen op ijzerbasis bij lage temperaturen kijken en ook blijven werken met materialen die bekend staan als topologische halfmetalen, zoals ZrSiS. Het magnetische gedrag bij lage temperatuur van topologische halfmetalen is grotendeels een mysterie, want hun eigenschappen worden gedomineerd door hun topologie (of de rangschikking van de onderdelen), niet door hun samenstellende elementen. En het Cambridge-team staat klaar om hun raadsels op te graven zodra de nieuwe koelkast in gebruik is.
Vreemde fysische eigenschappen gedijen goed onder extreme lage temperaturen, en de implicaties van deze bizarre eigenschappen zijn schijnbaar grenzeloos. Onderkoelingstechnieken zoals de degene die worden gebruikt bij verdunningskoeling zijn van cruciaal belang voor een breed scala aan disciplines: onderzoek naar zwaartekrachtgolven, supergeleiding, spintronica, kwantumcomputers en andere opkomende technologieën. Om spanningen bij hoge temperaturen te verminderen, is werken op het absolute nulpunt cruciaal voor het begrijpen en blootleggen van veel onbekenden in zowel de kwantummechanica als de fysica in het algemeen.
“Bij deze temperaturen krijgen we toegang tot een wereld van exotische fenomenen, en de materialen die ooit gewoon waren, worden buitengewoon”, zegt Murphy.