Sub o mizerie încurcată de țevi, tuburi, gabarite, plăci metalice, pompe și bandă adezivă se află un loc mai rece decât spațiul cosmic. Lucrând în acest mediu de haos organizat, echipa Quantum Matter de la Laboratorul Cavendish de la Universitatea din Cambridge începe să dezvăluie proprietățile cuantice exotice ale materialelor supercold într-un frigider de dimensiunea unui SUV.
Deoarece oamenii pot percepe cu ușurință diferența dintre cald și rece, temperatura este o caracteristică a științei pe care oamenii o înțeleg destul de intuitiv. Dar ceea ce oamenii experimentează de fapt atunci când disting de cald de rece este cantitatea de energie termică pe care o conține un sistem – un con de înghețată, de exemplu, conține mai puțină energie termică decât un castron cu supă fierbinte. Și pentru că această energie provine din mișcarea atomilor și moleculelor din interiorul unei substanțe, asta înseamnă că moleculele de supă se mișcă mai mult decât cele din înghețată.
Cu toate acestea, echipa de la Universitatea din Cambridge monitorizează energia la un nivel mai extrem în timp ce încearcă să se apropie de zero absolut – cea mai rece temperatură permisă de legile termodinamicii. Zero absolut, cunoscut tehnic ca zero kelvini, este egal cu -273,15 grade Celsius sau -459,67 Fahrenheit și marchează locul de pe termometru unde un sistem atinge cea mai mică energie posibilă sau mișcarea termică.
Totuși, există o captură: zero absolut este imposibil de atins. Motivul are legătură cu cantitatea de muncă necesară pentru a îndepărta căldura dintr-o substanță, care crește substanțial cu cât ești mai rece. Pentru a ajunge la zero kelvini, ai avea nevoie de o cantitate infinită de muncă. Și chiar dacă ați putea ajunge acolo, mecanica cuantică dictează că atomii și moleculele ar avea încă o mișcare ireductibilă.
Mecanica cuantică înseamnă, de asemenea, cu cât acești cercetători se apropie de zero absolut, cu atât mai ciudate sunt proprietățile unei substanțe. La temperaturi suficient de scăzute, heliul lichid, de exemplu, se transformă într-un superfluid – un lichid care curge fără rezistența la frecare. Ca urmare, poate curge spontan în sus și afară dintr-un container; infiltrați prin fisuri subțiri de molecule; rămâneți perfect liniștiți în timp ce învârtiți la viteze mari; și – cel mai surprinzător pentru fizicieni – se unesc într-un „superatom”, cunoscut sub numele de condensat Bose-Einstein. Lucrând în jur de 1 până la 10 milikelvini, sau mii de kelvin, echipa Cavendish este în curs de cercetare a unei varietăți a altor materiale care prezintă, de asemenea, un comportament cuantic funky. Și tehnologia pe care grupul o folosește pentru a atinge temperaturi atât de frigide este aproape la fel de complicată ca și comportamentul pe care încearcă să-l inducă.
În anii 1700, când Guillaume Amontons susținea că dacă temperatura este măsura căldurii într-un sistem, atunci trebuie să existe o temperatură posibilă cea mai mică. Cu toate acestea, abia două secole mai târziu teoria lui Amontons își va găsi locul în experimentare. La Universitatea Leiden, Heike Kamerlingh Onnes și colegii săi s-au confruntat cu alții din întreaga lume pentru a dezvolta tehnici de lichidare a heliului. După multe încercări eșuate, au reușit și spune Dirk van Delft, directorul Muzeului Boerhaave, Națiunea olandeză. Muzeul de Istorie a Științei și Medicinii, „Leiden a devenit pe scurt cel mai rece loc de pe Pământ”.
Succesul lui Onnes a venit în cele din urmă datorită uneia dintre primele forme de refrigerare de mare putere. La fel ca frigiderele de zi cu zi, sistemul de răcire din laboratorul Onnes și acum laboratoarele din întreaga lume funcționează într-un ciclu. Procesul de răcire în sine este similar cu ceea ce se întâmplă când suflați pe o ceașcă fierbinte de cafea pentru a o răci. Pe măsură ce persoana suflă, moleculele de cafea mai haotice, cu mișcare mai rapidă, sunt încurajate să se evapore și, prin urmare, să se îndepărteze de ceașcă. Moleculele rămase în urmă se mișcă mai încet – în consecință făcând cafeaua o temperatură mai potabilă. Spre deosebire de frigiderele de zi cu zi care utilizează vapori din interiorul frigiderului, Onnes a folosit heliu în stare de gaz și hidrogen și oxigen în stare lichidă pentru a atinge temperaturi scăzute.
Prin ciclizarea heliului gazos printr-o cameră scăldată în hidrogen lichid rece și aer, grupul lui Onnes a atins cu succes o temperatură în care valoarea de Heliu a unei mici cănițe de ceai ar putea fi lichidată. Făcând acest lucru, excesul de căldură din starea gazoasă s-a disipat și sistemul a atins o temperatură cu doar șase
kelvini peste zero absolut – cea mai apropiată încercare din timpul său. Această cercetare a câștigat Onnes Premiul Nobel în 1913. De asemenea, a descoperit accidental superconductivitatea, capacitatea unei substanțe de a transporta curent electric fără rezistență. Această proprietate face posibili magneții supraconductori puternici utilizați în detectorii RMN de astăzi și acceleratorii gigantici de particule, printre altele.
Cele mai bune sisteme de refrigerare din lume se bazează pe lucrările originale ale lui Onnes, dar acum pot ajunge la câțiva milikelvini, utilizând doi izotopi diferiți de heliu. Spre deosebire de majoritatea lichidelor, care îngheață și se transformă într-un solid la un anumit punct de temperatură, heliul rămâne lichid până la zero absolut. Deoarece atomii săi sunt atât de ușori la aceste temperaturi, heliul este slab atras de alți atomi de heliu, astfel încât acestea devin blocate într-un jiggle persistent, cunoscut sub numele de mișcare în punct zero, un efect mecanic cuantic definit de principiul incertitudinii Heisenberg.
Funcționând în ceea ce este în esență o buclă închisă, heliul acționează aproape exact ca acele molecule de cafea dezordonate din cană și disipează căldura în exces în mediu pe măsură ce circulă. Când izotopul heliu-3 migrează spre izotopul heliu-4 ca urmare a diferențelor de atracție și presiune cauzate de aparatul frigider, acesta absoarbe căldura și răcește întregul sistem până la nivelul milikelvinului.
Laboratorul Cambridge folosește acest tip de frigider pentru a inspecta multe tipuri diferite de materiale și proprietățile materialelor. Poate că cea mai surprinzătoare dintre ele este germanida de fier, YFe2Ge2. La temperaturi scăzute, acest material pe bază de fier se contorsionează într-un supraconductor. „Cea mai uimitoare descoperire este într-adevăr existența lui YFe2Ge2 ca supraconductor”, spune Keiron Murphy, doctorand în grupul Cambridge Quantum Matter. , indiferent de temperatură, datorită naturii magnetice a fierului. Superconductivitatea are multe aplicații în știință, medicină și informatică, iar fiecare nou supraconductor poate contribui la stimularea unei noi tehnologii. în compuși cu o structură de fier similară.
Din păcate, spune Murphy, stările cuantice sunt „inerent fragile”, iar o parte substanțială a proprietăților interesante care apar în mod natural în unele materiale sunt „copleșite de vibrații la temperaturi mai ridicate . ” Funcționând la aproximativ 1 până la 10 milikelvini, grupul Quantum Matter poate efectua măsurători la aceste temperaturi timp de câteva luni. Dar grupul este în prezent în curs de dezvoltare a unui alt frigider mai eficient care să poată susține aceste temperaturi scăzute mai mult timp.
Cu acest nou frigider, echipa va analiza alte materiale pe bază de fier la temperaturi scăzute pentru perioade susținute de timp și va continua să lucreze cu materiale cunoscute sub numele de semimetale topologice, cum ar fi ZrSiS. Comportamentul magnetic la temperatură scăzută al semimetalelor topologice este în mare parte, un mister, pentru că proprietățile lor sunt dominate de topologia lor (sau de dispunerea părților sale), nu de elementele lor constitutive. Și echipa Cambridge este gata să-și dezgroape enigmele odată ce noul frigider este în funcțiune.
Proprietățile fizice ciudate prosperă sub extremele temperaturii scăzute, iar implicațiile acestor calități bizare sunt aparent nelimitate. Tehnici de supercooling, cum ar fi cele utilizate în refrigerarea prin diluție sunt esențiale pentru o gamă largă de discipline: cercetarea undelor gravitaționale, supraconductivitatea, spintronica, calculul cuantic și alte tehnologii avansate. Pentru a atenua tulpinile de temperatură ridicată, lucrul la zero absolut este crucial pentru înțelegerea și descoperirea multor necunoscute atât în mecanica cuantică, cât și în fizică în general.
„La aceste temperaturi, avem acces la o lume a fenomenelor exotice, iar materialele care erau odinioară obișnuite devin extraordinare”, spune Murphy.