lavtemperaturfysik

Lavtemperaturfysik. Køling gennem 160 år. Michael Faraday var den første, der fortættede en gas, og i 1908 var alle gasser fortættet med undtagelse af 3He, der blev fortættet i 1950'erne. Magnetisk køling med paramagnetiske salte afløstes i slutningen af 1960'erne af 3He-4He-blanding. Med kernekøling i metaller bliver temperaturen så lav, at der må skelnes mellem temperaturen af atomkernerne alene (markeret med k på figuren) og af elektronerne i metallet (markeret med e). Den ensomme cirkel (o) viser resultatet af laserkøling, som er den nyeste teknik.

.
Licens: Begrænset anvendelse

Lavtemperaturfysik er en gren af fysikken, som omhandler stoffers egenskaber ved de lavest mulige temperaturer, dvs. nær det absolutte temperaturnulpunkt 0 K (kelvin) = −273,15 °C. Lavtemperaturfysik er et af de få områder, hvor mennesket har overgået naturen: Den laveste temperatur, der er opnået i et laboratorium, er 1010 gange mindre end den laveste temperatur på 2,7 K i resten af Universet.

Det første skridt ind i temperaturområdet under 100 K blev taget i 1883, da oxygen og nitrogen blev fortættet ved deres kogepunkter på hhv. 90,2 K og 77,4 K. Motiveringen var dels at finde en praktisk metode til at holde fødevarer afkølet under lange transporter, dels at finde ud af, om alle gasser kunne fortættes. Det sidstnævnte førte den britiske kemiker og fysiker James Dewar til i 1898 at fortætte hydrogen ved dets kogepunkt på 20 K.

Helium, som blev fundet i små mængder på Jorden omkring denne tid, blev fortættet ved 4,2 K i 1908 af den hollandske fysiker og kemiker Heike Kamerlingh Onnes. Han betragtes som lavtemperaturfysikkens fader, idet dette område af fysikken gennem det meste af 1900-tallet er regnet for synonymt med eksperimenter eller teknikker, der kræver flydende helium. Ved at sænke trykket over flydende helium opnår man et lavere kogepunkt, og Kamerlingh Onnes nåede derved i 1923 en ny kulderekord på 0,7 K.

At komme til endnu lavere temperaturer krævede et helt nyt princip. Paramagnetiske salte, som er stoffer indeholdende magnetiske ioner, kan ved adiabatisk afmagnetisering frembringe temperaturer helt ned til 1 mK. Denne metode blev udviklet i 1930'erne, men er siden 1960 blevet fortrængt af 3He/4He-blandingskøling. Den består i, at væske af den lette heliumisotop (3He) kontinuerligt opløses i almindelig flydende helium (4He). Grænsen for denne kølemetode ligger på ca. 2 mK. Flere firmaer tilbyder kryostater med dette princip, som er garanteret at kunne nå 5 mK.

Sidste spring ned ad temperaturskalaen er gjort ved kernekøling. Her foretages adiabatisk afmagnetisering af atomkernerne i egnede metaller. Atomkernerne er oftest termisk isoleret fra metallets ledningselektroner i mange minutter eller timer; derfor skelnes der mellem to former for kulderekord: For et metal som helhed, dvs. elektroner plus kerner, er den lavest opnåede temperatur 10 μK; for kernesystemet alene 0,1 nK.

Formål og resultater

Udviklingen mod stadig lavere temperaturer skyldes lige dele ærgerrighed og nysgerrighed, dvs. sporten i at være "den koldeste" og trangen til at undersøge nyt territorium. Men de to motiver går hånd i hånd; kølemetoderne bygger på, at nogle stoffer ændrer egenskaber med temperaturen, og så længe noget ændrer sig, er der noget, der er værd at undersøge.

De mest spektakulære resultater af lavtemperaturfysikken er superledning (opdaget 1911) og superfluiditet (4He i 1938, 3He i 1972). Begge er kvantefænomener i stor skala, hvor flere cm3 materiale i nogle henseender opfører sig som ét stort atom.

Ud over disse overraskelser har lavtemperaturfysikken været en conditio sine qua non ('ufravigelig betingelse') for nutidens enorme viden om og forståelse af metaller, halvledere, isolatorer og magnetiske stoffer. Sænkning af temperaturen spiller her ind på to måder: dels direkte ved at ændre på stoffernes egenskaber eller fremkalde overgange til nye tilstandsformer, dels indirekte ved at forbedre målenøjagtigheden, idet den termiske støj reduceres med faldende temperatur.

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig