Pod plątaniną rur, rurek, manometrów, metalowych płyt, pomp i taśmy izolacyjnej znajduje się miejsce zimniejsze niż przestrzeń kosmiczna. Pracując w środowisku zorganizowanego chaosu, zespół Quantum Matter z Laboratorium Cavendish Uniwersytetu Cambridge zaczyna odkrywać egzotyczne właściwości kwantowe super-zimnych materiałów w lodówce wielkości SUV-a.
Ponieważ ludzie łatwo dostrzegają różnicę między ciepłem a zimnem, temperatura jest cechą nauki, którą ludzie mają dość intuicyjny chwyt. Ale to, czego ludzie faktycznie doświadczają, odróżniając ciepło od zimna, to ilość energii cieplnej zawartej w systemie – na przykład rożek do lodów zawiera mniej energii cieplnej niż miska gorącej zupy. A ponieważ ta energia pochodzi z ruchu atomów i cząsteczek w substancji, oznacza to, że cząsteczki zupy poruszają się bardziej niż te w lodach.
Jednak zespół z University of Cambridge monitoruje energię na bardziej ekstremalnym poziomie, gdy próbują zbliżyć się do zera absolutnego – najniższej temperatury, na jaką pozwalają prawa termodynamiki. Zero absolutne, technicznie znane jako zero kelwinów, wynosi -273,15 stopni Celsjusza lub -459,67 Fahrenheita i oznacza miejsce na termometrze, w którym układ osiąga najniższą możliwą energię lub ruch termiczny.
Jest jednak pewien haczyk: nie da się osiągnąć zera absolutnego. Powód jest związany z ilością pracy niezbędnej do usunięcia ciepła z substancji, która znacznie wzrasta, im chłodniej jest się schłodzić. Aby osiągnąć zero kelwinów, wymagałoby to nieskończonej ilości pracy. A nawet gdybyś mógł się tam dostać, mechanika kwantowa nakazuje, aby atomy i cząsteczki nadal miały jakiś nieredukowalny ruch.
Mechanika kwantowa oznacza również, że im bardziej badacze zbliżają się do zera absolutnego, tym dziwniejsze stają się właściwości substancji. Na przykład w dostatecznie niskich temperaturach ciekły hel przekształca się w nadciekłą ciecz, która płynie bez oporu tarcia. W rezultacie może spontanicznie wypływać do góry i na zewnątrz pojemnika; przenikają przez pęknięcia cienkie jak cząsteczki; pozostaje idealnie nieruchomy podczas wirowania z dużą prędkością; i – co jest najbardziej zaskakujące dla fizyków – zlewają się w jeden „superatom”, znany jako kondensat Bosego-Einsteina. Pracując z prędkością od 1 do 10 milikelwinów lub tysięcznych kelwina, zespół Cavendisha jest w trakcie badania różnych innych materiałów, które również wykazują dziwaczne zachowanie kwantowe. Technologia, której grupa używa do osiągnięcia tak niskich temperatur, jest prawie tak skomplikowana, jak zachowanie, które próbuje wywołać.
Podróż w kierunku zera absolutnego rozpoczęła się we wczesnych latach XVIII wieku, kiedy Guillaume Amontons twierdził, że jeśli temperatura jest miarą ciepła w systemie, to musi być możliwie najniższa temperatura. Jednak dopiero dwa wieki później teoria Amontonsa znalazła swoje miejsce w eksperymentach. Na Uniwersytecie w Leiden, Heike Kamerlingh Onnes i jego koledzy ścigali się z innymi na całym świecie, aby opracować techniki upłynniania helu. Po wielu nieudanych próbach udało im się – mówi Dirk van Delft, dyrektor Museum Boerhaave, holenderskiego kraju l Muzeum Historii Nauki i Medycyny „Leiden na krótko stało się najzimniejszym miejscem na Ziemi”.
Ostatecznie sukces firmy Onnes przyszedł dzięki jednej z najwcześniejszych form chłodnictwa o dużej mocy. Podobnie jak zwykłe lodówki, system chłodzenia w laboratorium Onnesa, a teraz także w laboratoriach na całym świecie, działa cyklicznie. Sam proces chłodzenia jest podobny do tego, co dzieje się, gdy dmuchasz w gorącą kawę, aby ją schłodzić. Gdy osoba dmucha, bardziej chaotyczne, szybciej poruszające się cząsteczki kawy są zachęcane do odparowania, a tym samym do oddalenia się od filiżanki. Pozostawione cząsteczki poruszają się średnio wolniej – w konsekwencji temperatura kawy jest bardziej zdatna do picia. Jednak w przeciwieństwie do zwykłych lodówek, które wykorzystują parę z wnętrza lodówki, Onnes używał helu w stanie gazowym oraz wodoru i tlenu w stanie ciekłym, aby osiągnąć niskie temperatury.
Przepuszczając gazowy hel przez komorę skąpaną w zimnym ciekłym wodorze i powietrzu, grupa Onnesa z powodzeniem osiągnęła temperaturę, w której mała filiżanka helu mogła się skroplić. W ten sposób nadmiar ciepła ze stanu gazowego rozproszył się, a system osiągnął temperaturę zaledwie sześciu kelwinów powyżej zera absolutnego – zaledwie sześć
– była to najbliższa próba w tamtych czasach. Badania te przyniosły Onnesowi Nagrodę Nobla w 1913 roku. Odkrył także przypadkowo nadprzewodnictwo, zdolność substancji do przewodzenia prądu elektrycznego bez oporu. Dzięki tej właściwości możliwe są między innymi potężne magnesy nadprzewodzące używane we współczesnych detektorach MRI i gigantycznych akceleratorach cząstek.
Najlepsze obecnie systemy chłodnicze na świecie oparte są na oryginalnych pracach Onnesa, ale mogą teraz osiągnąć kilka milikelwinów, wykorzystując dwa różne izotopy helu. W przeciwieństwie do większości cieczy, które zamarzają i zamieniają się w ciało stałe w pewnym punkcie temperatury, hel pozostaje ciekły aż do zera absolutnego. Ponieważ jego atomy są tak lekkie w tych temperaturach, hel jest słabo przyciągany do innych atomów helu, tak że zostają one zablokowane w ciągłym ruchu, znanym jako ruch punktu zerowego, efekt mechaniki kwantowej określony przez zasadę nieoznaczoności Heisenberga.
Hel, działający w zasadniczo zamkniętej pętli, działa prawie dokładnie tak, jak te nieuporządkowane cząsteczki kawy w kubku i oddaje nadmiar ciepła do otoczenia, gdy krąży. Kiedy izotop helu-3 migruje w kierunku izotopu helu-4 w wyniku przyciągania i różnic ciśnień spowodowanych przez urządzenie chłodzące, absorbuje ciepło i chłodzi cały układ do poziomu milikelwinów.
Laboratorium Cambridge używa tego rodzaju lodówki do sprawdzania wielu różnych typów materiałów i ich właściwości. Być może najbardziej zaskakującym z nich jest germanek żelaza, YFe2Ge2. W niskich temperaturach ten materiał na bazie żelaza przekształca się w nadprzewodnik. „Najbardziej zaskakującym odkryciem jest w rzeczywistości istnienie YFe2Ge2 jako nadprzewodnika” – mówi Keiron Murphy, doktorant z grupy materii kwantowej w Cambridge.
Jak wyjaśnia, żelazo zazwyczaj niszczy wszelkie właściwości nadprzewodzące w materiale niezależnie od temperatury, ze względu na magnetyczny charakter żelaza. Nadprzewodnictwo ma wiele zastosowań w nauce, medycynie i informatyce, a każdy nowy nadprzewodnik może wspierać nowatorską technologię. Dzięki pracom tego laboratorium YFe2Ge2 jest obecnie uważany za materiał odniesienia do badania nadprzewodnictwa w związkach o podobnej strukturze żelaza.
Niestety, mówi Murphy, stany kwantowe są „z natury kruche”, a znaczna część interesujących właściwości, które naturalnie pojawiają się w niektórych materiałach, jest „przytłoczona wibracjami w wyższych temperaturach . ” Działając przy zaledwie około 1 do 10 milikelwinów, grupa Quantum Matter może wykonywać pomiary w tych temperaturach przez kilka miesięcy. Obecnie grupa jest w trakcie opracowywania kolejnej, bardziej wydajnej lodówki, która może dłużej wytrzymać te niskie temperatury.
Dzięki tej nowej lodówce zespół przyjrzy się innym materiałom na bazie żelaza w niskich temperaturach przez dłuższy czas, a także będzie kontynuował pracę z materiałami znanymi jako topologiczne półmetale, takie jak ZrSiS. Niskotemperaturowe zachowanie magnetyczne półmetali topologicznych jest w dużej mierze tajemnicą, ponieważ ich właściwości są zdominowane przez topologię (lub układ jej części), a nie elementy składowe. Zespół z Cambridge jest gotowy, aby odkryć ich zagadki, gdy nowa lodówka będzie gotowa do pracy.
Dziwne właściwości fizyczne rozwijają się w ekstremalnych temperaturach, a implikacje tych dziwacznych właściwości są pozornie nieograniczone. Techniki przechładzania, takie jak te stosowane w chłodnictwie rozcieńczającym mają kluczowe znaczenie dla wielu dziedzin: badań nad falami grawitacyjnymi, nadprzewodnictwa, spintroniki, obliczeń kwantowych i innych wschodzących technologii. W łagodzeniu obciążeń wysokotemperaturowych praca przy zera absolutnego ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia i odkrycia wielu niewiadomych zarówno w mechanice kwantowej, jak i ogólnie w fizyce.
„W takich temperaturach uzyskujemy dostęp do świata egzotycznych zjawisk, a materiały, które kiedyś były zwyczajne, stają się niezwykłe” – mówi Murphy.