Фізика низьких температур — розділ фізики, що займається вивченням фізичних властивостей систем, які знаходяться при низьких температурах. Зокрема, цей розділ розглядає такі явища, як надпровідність і надплинність. Фізика низьких температур вивчає фізичні процеси, що протікають за дуже низьких температур, аж до абсолютного нуля, займається вивченням властивостей матеріалів за цих низьких і наднизьких температур, і таким чином пов'язана з багатьма галузями науки й технікиФизика низких температур. Краткий исторический очерк..
Методи отримання низьких температур
Випаровування рідин Для отримання і підтримки низьких температур зазвичай використовують зріджені гази. У посудині Дьюара, яка містить зріджений газ, що випаровується за атмосферного тиску, досить добре підтримується постійна температура нормального кипіння холодоагенту. Найчастіше використовувані холодоагенти — рідкий азот і рідкий гелій. Раніше використовувалися зріджені водень і кисень, які зараз використовуються досить рідко через підвищену вибухонебезпечність випарів. Водночас азот і гелій практично інертні, і небезпеку становить тільки різке розширення при переході з рідкого в газоподібний стан.
Знижуючи тиск над вільною поверхнею рідини можна отримати температуру, нижчу від нормальної точки кипіння цієї рідини. Наприклад, відкачуванням пари азоту можна отримати температуру до температури потрійної точки 63 К, відкачуванням пари водню (над твердою фазою) можна отримати температуру 10 К, відкачуванням пари гелію можна отримати (при дуже хороших умовах проведення експерименту) температуру близько 0,7 К.
Дроселювання Під час протікання через звуження прохідного каналу трубопроводу — дросель, або через пористу перегородку відбувається зниження тиску газу або пари разом зі зниженням його температури. Ефект дроселювання використовується головним чином для глибокого охолодження і зрідження газів.
Зміна температури за малої зміни тиску внаслідок ефекту Джоуля — Томсона визначається похідною , званою коефіцієнтом Джоуля — Томсона.
Розширення з виконанням зовнішньої роботи Можна охолоджувати газ, використовуючи детандер — пристрій для додаткового охолодження газу шляхом його випуску під тиском у циліндр із поршнем, який переміщається із зусиллям. При цьому газ здійснює роботу і охолоджується. Використовується в циклі отримання рідкого гелію.
Якщо замість поршня використовувати турбіну — вийде турбодетандер, принцип дії якого аналогічний.
Адіабатне розмагнічування Метод заснований на ефекті виділення теплоти з парамагнітних солей під час їх намагнічування і подальшого поглинання теплоти під час їх розмагнічування. Це дозволяє отримувати температури аж до 0,001 К. Для отримання дуже низьких температур найбільше підходять солі з малою концентрацією парамагнітних іонів, тобто солі, в яких сусідні парамагнітні іони відокремлені один від одного немагнітними атомами.
Ефект Пельтьє Ефект Пельтьє використовують у термоелектричних охолоджувальних пристроях. Він заснований на зниженні температури спаїв напівпровідників під час проходження через них постійного електричного струму. Кількість виділеної теплоти та її знак залежать від виду речовин, що контактують, сили струму і часу проходження струму, тобто кількість теплоти, що виділяється, пропорційна заряду, що пройшов через контакт.
Кріостат розчинення
У процесі охолодження використовується суміш двох ізотопів гелію: 3He і 4He. Під час охолодження нижче 700 мК, суміш зазнає мимовільного , утворюючи фази багату на 3He і багату на 4He. Суміш 3He/4He зріджується в конденсаторі, приєднаному через дросель до частини змішувальної камери, багатої на 3He. Атоми 3He, проходячи через межу розділення фаз, відбирають енергію у системи. Кріостати розчинення з безперервним циклом зазвичай використовуються в низькотемпературних фізичних експериментах.
Вимірювання низьких температур Первинним термометричним приладом для вимірювання термодинамічної температури аж до 1 К служить газовий термометр. Використовуються термометри опору (платиновий — для прецизійних вимірювань, мідний, вугільний).
Як вторинні термометри можуть використовуватися термопари, напівпровідникові діоди — однак вони вимагають градуювання. Аналогом термометрії за тиском насиченої пари в області наднизьких температур є вимірювання температури в діапазоні 30—100 мК за осмотичним тиском 3He в суміші 3He — 4He.
Історія фізики низьких температур Основні етапи розвитку фізики низьких температур були пов'язані зі скрапленням газів, які дозволяли проводити вимірювання за температури, рівної температурі кипіння.
1852: Джеймс Джоуль і Вільям Томсон виявили ефект Джоуля — Томсона. 1883: Сигізмунд Врублевський і Кароль Ольшевський уперше отримали рідкий кисень і рідкий азот у вимірних кількостях. 1898: Джеймсом Дьюаром отримано близько 20 см3 рідкого водню. 1908: Хейке Камерлінг-Оннес зумів отримати 60 см3 рідкого гелію. Низьких температур, необхідних для конденсації гелію, було досягнуто за адіабатичного дроселювання водню. 1913: за одержання рідкого гелію Хейке Камерлінг-Оннес був відзначений Нобелівською премією з фізики. 1925: Альберт Ейнштейн теоретично передбачив існування конденсату Бозе — Ейнштейна як наслідок із законів квантової механіки на основі робіт Шатьєндраната Бозе. 1926: зміг отримати 1 см3 твердого гелію, використовуючи не тільки низьку температуру, а й підвищений тиск. 1930: Віллем Гендрик Кеезом виявив наявність фазового переходу в рідкому гелії за температури 2,17 К і тиску насиченої пари 0,005 МПа. Фазу, стійку вище від 2,17 К, він назвав гелієм-I, а фазу, стійку нижче від 2,17 К, — гелієм-II. Також спостерігає пов'язані з цим аномалії в теплопровідності (навіть називає гелій-II «надтеплопровідним»), теплоємності, плинності гелію. 1938: Петро Капиця відкрив надплинність гелію-II. 1941: Лев Ландау дав квантово-механічне пояснення явища надплинності. 1948: уперше вдалося зрідити і гелій-3. 1962: Лев Ландау отримав Нобелівську премію з фізики. 1972: у рідкому 3He виявлено фазовий перехід у надплинний стан. Пізніше було експериментально показано, що нижче 2,6 мК і за тиску 34 атм 3He дійсно стає надплинним. 1978: за відкриття явища надплинності Нобелівську премію з фізики отримали Петро Капиця, Арно Аллан Пензіас і Роберт Вудро Вільсон. 1995: Ерік Корнелл і Карл Віман уперше отримали конденсат Бозе — Ейнштейна. Вчені використовували газ з атомів рубідію, охолоджений до 170 нК. 1996: за відкриття надплинності гелію-3 Дугласу Ошерову, Роберту Річардсону і Девіду Лі було присуджено Нобелівську премію з фізики. 2001: за отримання конденсату Бозе — Ейнштейна Еріку Корнеллу, Карлу Віману спільно з Вольфгангом Кеттерле було присуджено Нобелівську премію з фізики. 2003: Нобелівською премією з фізики відзначено Олексія Абрикосова, Віталія Гінзбурга і Ентоні Леггетта, зокрема й за створення теорії надплинності рідкого гелію-3. 2004: оголошено про відкриття надплинності твердого гелію. Цю заяву було зроблено на підставі ефекту несподіваного зменшення моменту інерції крутильного маятника з твердим гелієм. Проте в наступні роки результати незалежних експериментів, не могли підтвердити цього відкриття. Ситуація з надплинністю твердого гелію залишалася неясною до 2012 року, коли було показано, що інтерпретація виявленого ефекту як переходу твердого гелію в надплинний стан була помилковою.
Спеціальність ВАК «Фізика низьких температур» (шифр спеціальності 01.04.09) — галузь фундаментальної науки, що вивчає фізичні явища і стани речовини, характерні для температур, близьких до абсолютного нуля. Включає теоретичні та експериментальні дослідження структури і властивостей речовини в чистому квантовому стані та фізичної природи й характеристик різних елементарних збуджень, а також квантових кооперативних явищ, таких як надплинність, надпровідність, бозе-конденсація, магнітне, зарядове і інші типи впорядкуванняПаспорт специальности ВАК. Паспорт спеціальності ВАК «Фізика низьких температур» передбачає такі галузі дослідження:
Кінетичні та рівноважні властивості металів і сплавів при низьких температурах. Низькотемпературні фазові переходи, зокрема надпровідність і надплинність. Низькотемпературні квантові ефекти в напівпровідниках і діелектриках. Низькотемпературний магнетизм. Властивості квантових газів і квантових рідин. Властивості квантових кристалів і кріокристалів. Властивості невпорядкованих систем при низьких температурах. Фізичні засади, методи одержання та вимірювання низьких і наднизьких температур.
Наукові журнали «Фізика низьких температур» Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України
Посилання Technical Description of Cryogenic process to produce LNG 300 Below — Founder of Commercial Cryogenic Industry (Since 1966) An Introduction to Cryogenics
Примітки
Див. також Кріотехніка