Under en trasslig röran av rör, rör, mätare, metallplattor, pumpar och tejp ligger en plats kallare än yttre rymden. Arbetet i denna miljö av organiserat kaos börjar Quantum Matter-teamet vid University of Cambridge Cavendish Laboratory att avslöja de exotiska kvantegenskaperna hos superkalla material i ett kylskåp på samma storlek som en SUV.
Eftersom människor lätt kan uppfatta skillnaden mellan varmt och kallt är temperaturen ett vetenskapligt inslag som människor har ett ganska intuitivt grepp om. Men vad människor faktiskt upplever när de särskiljer varmt från kallt är mängden termisk energi som ett system innehåller – en glasskotte innehåller till exempel mindre termisk energi än en skål varm soppa. Och eftersom den här energin kommer från atomer och molekylers rörelse i ett ämne, betyder det att soppmolekylerna rör sig mer än de i glassen.
Teamet vid University of Cambridge övervakar dock energi på en mer extrem nivå när de försöker närma sig absolut noll – den kallaste temperaturen som tillåts av termodynamikens lagar. Absolut noll, tekniskt känd som noll kelvin, är lika med −273,15 grader Celsius, eller -459,67 Fahrenheit, och markerar platsen på termometern där ett system når sin lägsta möjliga energi eller termiska rörelse.
Det finns dock en fångst: absolut noll är omöjligt att nå. Anledningen har att göra med den mängd arbete som krävs för att ta bort värme från ett ämne, vilket ökar väsentligt ju kallare du försöker gå. För att nå noll kelvin behöver du oändligt mycket arbete. Och även om du kunde komma dit dikterar kvantmekaniken att atomerna och molekylerna fortfarande skulle ha någon oreducerbar rörelse.
Kvantmekanik betyder också att ju närmare dessa forskare kryper mot absolut noll, desto konstigare blir ett ämnes egenskaper. Vid tillräckligt låga temperaturer förvandlas till exempel flytande helium till en superfluid — en vätska som flyter utan friktionsmotstånd. Som ett resultat kan det spontant flöda uppåt och ut ur en behållare; sippra genom molekyltunna sprickor; förbli helt stilla medan du snurrar i höga hastigheter; och – mest överraskande för fysiker – smälter samman till en ”superatom”, känd som ett Bose-Einstein-kondensat. Arbetar på bara 1 till 10 millikelvins eller tusendels kelvin, Cavendish-teamet håller på att kartlägga en mängd av andra material som också visar funky kvantbeteende. Och tekniken som gruppen använder för att nå sådana fria temperaturer är nästan lika komplicerad som beteendet den försöker framkalla.
Resan mot absolut noll började tidigt 1700-talet när Guillaume Amontons hävdade att om temperaturen är ett mått på värme i ett system, så måste det finnas en lägsta möjliga temperatur. Ändå var det inte förrän två århundraden senare att Amontons teori skulle hitta sin plats i experiment. Vid Leiden University, Heike Kamerlingh Onnes och hans kollegor tävlade mot andra runt om i världen för att utveckla tekniker för att flyta helium. Efter många misslyckade försök lyckades de och säger Dirk van Delft, chef för Museum Boerhaave, den holländska Nationa l Museum for Science of Medicine, ”Leiden blev kort den kallaste platsen på jorden.”
Onnes framgång kom så småningom tack vare en av de tidigaste formerna av kraftfull kylning. Liksom vardagliga kylskåp fungerar kylsystemet i Onnes lab och nu laboratorier runt om i världen i en cykel. Själva kylprocessen liknar vad som händer när du blåser på varm kopp kaffe för att kyla ner den. När personen blåser uppmuntras de mer kaotiska, snabbare kaffemolekylerna att avdunsta och därför flytta sig bort från koppen. Molekylerna som är kvar rör sig i genomsnitt långsammare – vilket gör kaffet till en mer drickbar temperatur. Till skillnad från vanliga kylskåp som använder ånga inifrån kylskåpet använde Onnes emellertid helium i gastillståndet och väte och syre i flytande tillstånd för att uppnå låga temperaturer.
Genom att cykla gasformigt helium genom en kammare badad i kallt flytande väte och luft nådde Onnes grupp framgångsrikt en temperatur där en liten tekopp Helium kunde flytas. På så sätt försvann överskottsvärmen från det gasformiga tillståndet och systemet uppnådde en temperatur bara sex
kelvin över absolut noll – det närmaste försöket för sin tid. Denna forskning vann Onnes Nobelpriset 1913. Han upptäckte också av misstag superledningsförmåga, förmågan hos ett ämne att bära elektrisk ström utan motstånd. Denna egenskap möjliggör bland annat de kraftfulla supraledande magneter som används i dagens MR-detektorer och jättepartikelacceleratorer.
De bästa kylsystemen i världen idag är baserade på Onnes ursprungliga verk, men de kan nu nå några millikelviner med två olika isotoper av helium. Till skillnad från de flesta vätskor, som fryser och förvandlas till ett fast ämne vid någon temperaturpunkt, förblir helium flytande hela vägen ner till absolut noll. Eftersom dess atomer är så lätta vid dessa temperaturer dras helium svagt till andra heliumatomer så att de låses fast i en ihållande jiggle, känd som nollpunktsrörelse, en kvantmekanisk effekt definierad av Heisenbergs osäkerhetsprincip.
Helium fungerar i vad som i huvudsak är en sluten slinga och fungerar nästan exakt som de oordnade kaffemolekylerna i din mugg och sprider överflödig värme till miljön när den cirkulerar. När helium-3-isotopen migrerar mot helium-4-isotopen som ett resultat av attraktion och tryckskillnader orsakade av kylapparaten, absorberar den värme och kyler hela systemet ner till millikelvin-nivån.
Cambridge lab använder denna typ av kylskåp för att inspektera många olika typer av material och materialegenskaper. Den kanske mest överraskande av dem är järngermanid, YFe2Ge2. Vid låga temperaturer rör sig detta järnbaserade material till en supraledare. ”Den mest häpnadsväckande upptäckten är verkligen YFe2Ge2s existens som en superledare alls”, säger Keiron Murphy, doktorand i Cambridge Quantum Matter-gruppen.
Järn, förklarar han, förstör vanligtvis alla superledande egenskaper i ett material. , oavsett temperatur, på grund av järnets magnetiska natur. Supraledning har många tillämpningar inom vetenskap, medicin och databehandling, och varje ny supraledare kan hjälpa till att främja ny teknik. På grund av detta labbs arbete anses YFe2Ge2 nu vara ett referensmaterial för att undersöka superledningsförmåga i föreningar med liknande järnstruktur.
Tyvärr, säger Murphy, är kvanttillstånd ”i sig bräckliga” och en väsentlig del av de intressanta egenskaper som naturligt uppstår i vissa material överväldigas av vibrationer vid högre temperaturer. . ” Quantum Matter-gruppen arbetar med knappt 1 till 10 millikelviner och kan utföra mätningar vid dessa temperaturer i flera månader, men gruppen håller för närvarande på att utveckla ett annat mer effektivt kylskåp som kan hålla dessa låga temperaturer längre.
Med det här nya kylskåpet kommer teamet att titta på andra järnbaserade material vid låga temperaturer under långvariga tidsperioder och även fortsätta arbeta med material som kallas topologiska halvmetaller, till exempel ZrSiS. Det magnetiska beteendet vid låg temperatur hos topologiska halvmetaller är till stor del ett mysterium, för deras egenskaper domineras av deras topologi (eller arrangemanget av dess delar), inte deras beståndsdelar. Och Cambridge-teamet är redo att gräva upp sina gåvor när det nya kylskåpet är igång.
Konstiga fysiska egenskaper trivs under extrema låga temperaturer, och konsekvenserna av dessa bisarra egenskaper är till synes gränslösa. Superkylningstekniker som De som används i utspädningskylning är avgörande för ett brett spektrum av discipliner: gravitationell vågforskning, supraledning, spintronik, kvantberäkning och andra kommande tekniker. För att lindra höga temperaturstammar är arbete vid absolut noll avgörande för att förstå och avslöja många okända inom både kvantmekanik och fysik i allmänhet.
”Vid dessa temperaturer får vi tillgång till en värld av exotiska fenomen, och de material som en gång var vanliga blev extraordinära”, säger Murphy.