Na drodze do zera bezwzględnego.
Na poprzednich stronach przedstawiłem kilka przykładów ciekawych zmian właściwości materii w dość niskich temperaturach. Zmiany te od razu widać gołym okiem. Ale co dzieje się z materią gdy temperaturę zaczniemy obniżać do zera bezwzględnego?. Co to takiego to zero bezwzględne ?. Jest to temperatura równa zero w termodynamicznej skali temperatur, czyli jest to temperatura, w której wszystkie elementy układu termodynamicznego uzyskują najniższą z możliwych energii. Temperatura ta odpowiada ok. -273,15 °C = 0 K
Temperatura zera bezwzględnego jest graniczną wartością temperatury do której możemy się ciągle zbliżać, ale jej osiągnięcie nie jest możliwe Wynika to z trzeciej zasady termodynamiki.
W roku 2003 zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge: A.E. Leanhardt, T.A. Pasquini, M. Saba, A. Schirotzek, Y. Shin, D. Kielpinski, D.E. Pritchard i W. Ketterle osiągnęli do tej pory najniższą temperaturę metodą chłodzenia laserowego - 450 nanokelwinów
Wróćmy do pytania: co dzieje się z materią w tak niskich temperaturach?. Żeby to sprawdzić nie wystarczy już tylko wprawne oko naukowca. By zobaczyć zachowanie materii w superniskich temperaturach potrzebna jest bardzo droga i bardzo skomplikowana aparatura naukowa. A wytworzenie i utrzymanie tak niskich temperatur też nie jest zadaniem łatwym. Zdjęcie po lewej stronie przedstawia stalowy kriostat z wieloma ściankami izolacyjnymi, które mają za zadanie jak najbardziej ograniczyć przenikalność cieplną do obszaru niskiej temperatury.
Cały zespół aparatury z kriostatem nazywa się schładzarką rozcieńczalnikową, która została zbudowana własnymi siłami w Instytucie Fizyki PAN. Dzięki niej możliwe jest osiągnięcie temperatury około 20 mK
W tak niskich temperaturach materia ujawnia zadziwiające własności magnetyczne i kwantowe i badaniami m.in. takich właśnie zjawisk zajmują się naukowcy w Instytucie.
Same eksperymenty i możliwości zastosowania potencjalnych osiągnięć w tej dziedzinie opiszę przy innej okazji a teraz zajmiemy się samą techniką osiągania tak rekordowo niskich temperatur.
Obserwując stopień skomplikowania aparatury możemy tylko domyślać się, że nie jest to zadanie łatwe i faktycznie tak jest.
Chłodziarka rozcieńczalnikowa pracuje w sposób ciągły, czynnikiem roboczym jest substancja, która nie zestala się aż do najniższych temperatur (pod cisnieniem atmosferycznym). Tą substancją jest mieszanina izotopu helu 3He i 4He. 3He występuje w przyrodzie w ilościach znikomo małych i dlatego otrzymuje się go sztucznie, jest przy tym bardzo drogi. Drugi izotop 4He - występuje w przyrodzie w dużych ilościach. Pozyskuje się go głównie z gazu ziemnego, gdzie jego stężenie może dochodzić nawet do 3 %.
Dlaczego te dwa izotopy wykorzystywane są do osiągania superniskich temperatur zilustrują dwa wykresy fazowe:
Na obu wykresach linie ciecz - para oraz ciecz - ciało stałe połączone są linią odgraniczającą od siebie dwie postaci helu, tzw. Hel I (zwykły, obdarzony lepkością i stosunkowo niewielką przewodnością cieplną) oraz Hel II (nadciekły, pozbawiony lepkości i charakteryzujący się bardzo dużą przewodnością cieplną). Bardzo ważne jest, że 4He przechodzi w stan nadciekłości w zakresie temperatur 2,17 - 1,77 K, natomiast 3He przy temperaturach rzędu kilku mK.
Bardzo ciekawe właściwości przejawia mieszanina obu wspomnianych izotopów.
Na rysunku obok przedstawiłem wykres fazowy mieszaniny 3He - 4He przy ciśnieniu par nasyconych. Poniżej temperatury 0,873 K następuje spontaniczne rozdzielenie roztworu 3He - 4He na dwie fazy ciekłe oddzielone wyraźną granicą: fazę bogatą w 3He i ubogą w 3He (czyli bogatą w 4He). Faza bogata w 3He ma mniejszą gęstość i pływa po fazie ubogiej.
Na wykresie fazowym we współrzędnych temperatura - koncentracja (T-x) obszar rozdziału faz znajduje się pod krzywą "rozwarstwienia". Powyżej krzywej rozdziału roztwór znajduje się bądź w stanie normalnym bądź nadciekłym, zależnie od temperatury i koncentracji.
Przedstawiona własność roztworu izotopów helu ma kluczowe znaczenia dla działania chłodziarki rozcieńczalnikowej.
W stanie nadpłynnym lepkość i entropia fazy bogatej w 4He są prawie równe zeru. Ciecz ta staje się środowiskiem obojętnym dla rozcieńczanego w niej praktycznie czystego 3He. Stanowi ona pod względem cieplnym i hydrodynamicznym swoistą "próżnię" dla 3He, którego atomy nie oddziałują z nadciekłym 4He.
Proces rozcieńczania 3He w nadciekłej fazie bogatej w 4He można więc modelowo wyobrazić sobie jako parowanie 3He do próżni (Próżnią jest 4He). Podczas parowania ubytkowi masy 3He odpowiada spadek temperatury.
Moc chłodnicza tego procesu jest ekwiwalentna ciepłu przejścia fazowego: czysty 3He w słaby roztwór 3He. Rozcieńczaniu towarzyszy więc obniżanie temperatury roztworu ubogiego, natomiast jeśli proces prowadzony jest izotermicznie, to wytwarzana jest moc chłodnicza.
Schładzana przestrzeń jest stosunkowo niewielka ale umożliwia przeprowadzenie wielu badać kriogenicznych o których napewno jeszcze w tym dziale napiszę.
Aktualnie w Instytucie Fizyki PAN trwa budowa nowoczesnego laboratorium z chłodziarką 3He (czynnikiem będzie tylko 3He), której kriostat i kilka rur roboczych już zainstalowano.
Po zmontowaniu aparatury całość zostanie obudowana klatką Faradaya w celu wyeliminowania niepożądanego promieniowania elektromagnetycznego np. telefonów komórkowych. Na pewno do tematu nowej chłodziarki jeszcze wrócę.
Strona 5 z 5
